Tiến Sĩ Phân tích động lực học công trình biển cố định trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và g

Luận án tiến sĩ năm 2013
Đề tài: Phân tích động lực học công trình biển cố định trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió


MỤC LỤC
Lời cam đoan . i
Mục lục iii
Danh mục các ký hiệu, các chữviết tắt . vii
Danh mục các bảng x
Danh mục các hình vẽ, đồthị . xii
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀNGHIÊN CỨU 6
1.1. Tổng quan vềsan hô và nền san hô .6
1.2. Tổng quan vềcông trình biển và tải trọng tác dụng lên công trình biển . 8
1.2.1. Tổng quan vềcông trình biển .8
1.2.2. Tổng quan vềtải trọng tác dụng lên công trình biển 12
1.2.2.1. Tải trọng sóng biển 12
1.2.2.2. Tải trọng gió 15
1.3. Tổng quan vềtính toán công trình biển .17
1.4. Các kết quảnghiên cứu đạt được từcác công trình đã công bố 23
1.5. Các vấn đềcần tiếp tục nghiên cứu .24
1.6. Các kết luận rút ra từtổng quan 24
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH
CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG VÀ GIÓ .25
2.1. Đặt vấn đề .25
2.2. Giới thiệu bài toán và các giảthiết 26
2.3. Cơsởphương pháp PTHH phân tích động lực học công trình biển cố định
chịu tác dụng của sóng và gió, quan niệm kết cấu và nền không tương tác .27
2.3.1. Các hệthức biểu diễn mối tương quan trong PTHH 28
2.3.2. Xây dựng véc tơtải trọng phần tửdo sóng và gió gây ra .30
iv
2.3.2.1. Véc tơtải trọng do sóng biển tác dụng lên phần tửthanh .30
2.3.2.2. Véc tơtải trọng do gió tác dụng lên phần tửthanh 34
2.3.3. Phương trình chuyển động của phần tửtrong hệtoạ độcục bộ 36
2.3.4. Phương trình chuyển động của phần tửtrong hệtoạ độtổng thể .36
2.3.5. Ghép nối các ma trận phần tửvào ma trận chung của toàn hệ .37
2.3.6. Phương trình chuyển động của toàn hệ 37
2.4. Thuật toán giải phương trình chuyển động của hệ 39
2.5. Chương trình tính và kiểm tra độtin cậy của chương trình .44
2.5.1. Chương trình tính .44
2.5.2. Kiểm tra độtin cậy của chương trình .45
2.6. Kết luận chương 2 .47
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH
CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG, GIÓ VÀ TƯƠNG TÁC VỚI NỀN
SAN HÔ .48
3.1. Đặt vấn đề .48
3.2. Giới thiệu bài toán và các giảthiết 49
3.3. Cơsởphương pháp PTHH phân tích động lực học công trình
biển cố định chịu tác dụng của tải trọng sóng, gió và tương tác với
nền san hô .51
3.3.1. Các hệthức đối với phần tửthuộc nền .51
3.3.1.1. Phần tửtứgiác biến dạng phẳng có bốn điểm nút .51
3.3.1.2. Phần tửtam giác biến dạng phẳng có ba điểm nút 53
3.3.1.3. Quan hệbiến dạng – chuyển vị .55
3.3.1.4. Ma trận độcứng của phần tử .56
3.3.1.5. Ma trận khối lượng và ma trận cản nhớt phần tử .56
3.3.1.6. Véc tơtải trọng nút 57
v
3.3.1.7. Véc tơnội lực nút 57
3.3.2. Các hệthức trong phần tửtiếp xúc .58
3.3.3. Phương trình chuyển động của toàn hệ 65
3.4. Thuật toán giải hệphương trình vi phân chuyển động của hệ .66
3.5. Chương trình tính và kiểm tra độtin cậy của chương trình .72
3.5.1. Chương trình tính .72
3.5.2. Kiểm tra độtin cậy của chương trình .72
3.6. Kết luận chương 3 .74
CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐTHÔNG SỐ ĐẾN PHẢN
ỨNG ĐỘNG CỦA CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI
TRỌNG SÓNG VÀ GIÓ 75
4.1. Đặt vấn đề .75
4.2. Bài toán xuất phát 75
4.2.1. Bài toán 1: Phân tích động lực học công trình biển cố định chịu tác
dụng của tải trọng sóng vàgió 75
4.2.2. Bài toán 2: Phân tích động lực học công trình biển cố định chịu tác
dụng của tải trọng sóng, gió và tương tác với nền san hô 81
4.3. Khảo sát ảnh hưởng của một sốthông số đến phản ứng động của hệ .86
4.3.1. Ảnh hưởng của mô hìnhtính 86
4.3.2. Ảnh hưởng của tải trọng tác dụng 90
4.3.3. Ảnh hưởng của vật liệu kết cấu 93
4.3.3.1. Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi cọc chính 93
4.3.2.2. Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi cọc phụ .97
4.3.4. Ảnh hưởng của kích thước cọc chính .101
4.3.4.1. Ảnh hưởng của đường kính ngoài cọc chính .101
4.3.4.2. Ảnh hưởng của chiều dày thành ống cọc chính .105
vi
4.3.5. Ảnh hưởng của kích thước thanh giằng 109
4.3.5.1. Ảnh hưởng của đường kính ngoài thanh giằng .109
4.3.5.2. Ảnh hưởng của chiều dày thành ống thanh giằng .113
4.3.6. Ảnh hưởng của chiều sâu ngàm .117
4.3.7. Ảnh hưởng của nền san hô .120
4.3.7.1. Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi lớp nền trên cùng 120
4.3.7.2. Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi lớp nền thứhai .122
4.3.8. Ảnh hưởng của chiều sâu cọc chính trong nền .124
4.4. Kết luận chương 4 .127
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 128
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐCỦA TÁC GIẢ 130
TÀI LIỆU THAM KHẢO 131
PHỤLỤC .139


MỞ ĐẦU
Việt Nam là quốc gia biển, tiềm năng biển của Việt Nam vô cùng to
lớn, bờbiển từBắc vào Nam với chiều dài 3260km, ngoài khơi là hai quần
đảo Trường Sa và Hoàng Sa rộng lớn gồm nhiều đảo lớn, nhỏ. Đây là
những vịtrí có tầm chiến lược quan trọng trong việc bảo vệbiên cương của
Tổquốc và khai thác tài nguyên, góp phần vào việc giữvững nền an ninh
quốc phòng và công cuộc phát triển, xây dựng đất nước. Nhận thức rõ tầm
quan trọng này, Đảng và Nhà nước ta đã có những quyết sách đúng đắn
nhằm xây dựng các đảo thuộc quần đảo Trường Sa và vùng biển lân cận
(nhà giàn, DKI, .) trởthành những căn cứquân sự, kinh tếvững mạnh có
đủkhảnăng đáp ứng tốt nhiệm vụtrước mắt và lâu dài. Thực tếcho thấy
để đáp ứng được yêu cầu nhiệm vụnày, ngoài việc xây dựng lực lượng con
người, vũkhí trang bị, điều tất yếu cần phải xây dựng, khôi phục cơsởhạ
tầng, công trình biển, đảo vững chắc.
Nghiên cứu tương tác giữa kết cấu và nền san hô nói chung, cũng như
tương tác giữa kết cấu hệthanh với nền san hô nói riêng là một trong
những vấn đề đã và đang được nhiều nhà khoa học trong nước cũng như
nước ngoài quan tâm. Các kết quảnghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong
việc tính toán, thiết kế, thi công các công trình xây dựng ngoài khơi. Các
tài liệu, sốliệu khảo sát, thí nghiệm vềvật liệu san hô và nền san hô liên
quan đến thiết kế, xây dựng còn rất hạn chế, kèm theo các mô hình tính,
phương pháp tính còn chưa phù hợp với thực tếnên việc nghiên cứu, tính
toán, thiết kếcác công trình trên nền san hô gặp không ít khó khăn. Với các
kết quảnghiên cứu đạt được đến nay, có thểkhẳng định rằng: đặc điểm nổi
bật của nền san hô là loại vật liệu dòn, liên kết một chiều (chỉchịu nén,
không chịu kéo), tuỳtheo trạng thái chịu lực, có thểxảy ra hiện tượng tách,
trượt tương đối tại bềmặt tiếp xúc giữa công trình và nền khi hệlàm việc.
2
Điều này dẫn đến các phương trình ứng xửcơhọc của bài toán có tính phi
tuyến, làm cho việc giải các bài toán dạng này là khó và phức tạp, đặc biệt
bài toán tương tác động lực học giữa công trình và nền san hô.
Công trình biển cố định dạng móng cọc được dùng rộng rãi ngoài
khơi, đây là một hệcơhọc phức tạp gồm kết cấu đàn hồi đặt trong môi
trường chất lỏng chịu tác dụng của sóng, gió, dòng chảy và các tác động
khác của môi trường. ỞViệt Nam đến nay đã đạt được thành quảto lớn
trong nghiên cứu, thiết kếvà thi công các công trình nhà giàn DKI của
Quốc phòng, các giàn khoan dầu khí. Tuy nhiên do nhiều yếu tốphức tạp,
nhưtính chất cơlý của vật liệu nền san hô, tính chất của tải trọng tác dụng,
vấn đềtối ưu kết cấu, v.v. cho nên thực tếqua sửdụng các công trình còn
bộc lộmột sốnhược điểm, đặc biệt có những công trình bị đổ, gây ra nhiều
thiệt hại to lớn cảvềkinh tế, quốc phòng và tính mạng con người. Do đó,
nghiên cứu sựtương tác giữa kết cấu công trình biển dạng móng cọc và
nền san hô dưới tác dụng của tải trọng sóng biển và gió, làm cơsởcho việc
thiết kế, khai thác, xác định nguyên nhân hưhỏng và biện pháp phòng
tránh là công việc cần thiết, có vai trò quan trọng hiện nay. Vì vậy đềtài
“Phân tích động lực học công trình biển cố định trên nền san hô chịu
tác dụng của tải trọng sóng và gió”mà luận án đặt ra cho đến nay vẫn là
vấn đềcó ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Mục đích và nhiệm vụnghiên cứu của luận án:
- Nghiên cứu tổng quan vềsan hô và sựtương tác giữa công trình và
nền, làm cơsởgiải quyết bài toán tương tác giữa công trình và nền san hô.
- Nghiên cứu xây dựng mô hình, phương pháp giải bài toán tương tác
giữa công trình biển cố định hệthanh phẳng (mô phỏng nhà giàn DKI) và
nền san hô dưới tác dụng của tải trọng sóng và gió.
3
- Thiết lập thuật toán và chương trình tính phân tích hai lớp bài toán với
hai mô hình tính khác nhau: mô hình kết cấu và nền không tương tác (quan
niệm thay thếnền bằng ngàm cứng) và mô hình kết cấu và nền có tương tác
(kết cấu và nền làm việc đồng thời) chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió.
- Khảo sát ảnh hưởng của một sốyếu tốvềtải trọng, hình học, vật
liệu, điều kiện liên kết đến phản ứng động của hệdưới tác dụng của tải
trọng sóng và gió.
Đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu của luận án:
Đối tượng nghiên cứu:
Kết cấu công trình biển cố định hệthanh trên nền san hô (mô phỏng
công trình DKI) chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió.
Phạm vi nghiên cứu:
- Vềkết cấu: Công trình biển cố định hệthanh phẳng (mô phỏng công
trình DKI).
- Vềnền: Nền san hô khu vực quần đảo Trường Sa.
- Vềtải trọng: Tải trọng sóng biển được xác định theo lý thuyết sóng
tuyến tính Airy và công thức Morison, tải trọng gió là hàm của thời gian.
Mục tiêu nghiên cứu:
Phân tích động lực học công trình biển hệthanh trên nền san hô theo
hai mô hình tính (mô hình kết cấu và nền san hô không tương tác và mô
hình kết cấu và nền san hô tương tác).
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu bằng lý thuyết, sửdụng phương pháp PTHH. Giải hệ
phương trình động lực học tuyến tính bằng phương pháp tích phân trực tiếp
Newmark và hệphương trình động lực học phi tuyến bằng tích phân trực tiếp
Newmark kết hợp với phương pháp lặp Newton – Raphson. Lập trình tính
toán trong môi trường Matlab.
4
Cấu trúc của luận án:
Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận chung, tài liệu
tham khảo, với 138 trang thuyết minh, trong đó có 20 bảng, 84 hình vẽ, đồ
thị, 73 tài liệu tham khảo và 28 trang phụlục.
Mở đầu:Trình bày tính cấp thiết của đềtài luận án và bốcục luận án.
Chương 1:Tổng quan vềvấn đềnghiên cứu
Trình bày tổng quan vềsan hô và nền san hô, đưa ra các đặc tính của
nền san hô phục vụxây dựng mô hình tính toán tương tác giữa kết cấu và
nền. Phân tích vềcông trình biển, tải trọng tác dụng lên công trình biển,
tính toán công trình biển thông qua các nghiên cứu trong nước và nước
ngoài. Từ đó rút ra những vấn đềcần được tiếp tục nghiên cứu, lựa chọn
mục tiêu, nội dung nghiên cứu của luận án.
Chương 2hân tích động lực học công trình biển cố định chịu tác
dụng của tải trọng sóng và gió.
Xây dựng mô hình bài toán, thiết lập thuật toán và chương trình, nhằm
nghiên cứu phản ứng động của kết cấu công trình biển cố định hệthanh
phẳng chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió theo mô hình không tương
tác (thay thếnền bằng ngàm cứng).
Chương 3hân tích động lực học công trình biển cố định chịu tác
dụng của tải trọng sóng, gió và tương tác với nền san hô.
Xây dựng mô hình bài toán, thiết lập thuật toán và chương trình nhằm
nghiên cứu phản ứng động của kết cấu công trình biển hệthanh phẳng trên
nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió, theo mô hình tương tác
(kết cấu và nền làm việc đồng thời).
5
Chương 4: Khảo sát ảnh hưởng của một sốthông số đến phản ứng
động của công trình biển cố định trên nền san hô chịu tác dụng của tải
trọng sóng và gió.
Trên cơsởthuật toán và chương trình tính đã lập trong chương 2 và
chương 3, tiến hành giải nhiều bài toán với các thông sốthay đổi, khảo sát
ảnh hưởng của một sốyếu tốvềhình học, vật liệu, điều kiện liên kết, nền
san hô đến phản ứng động của hệ.
Kết luận chung:
Trình bày các kết quảchính, những đóng góp mới của luận án và các
kiến nghịnhững vấn đềcần tiếp tục được nghiên cứu.
Tài liệu tham khảo.
Phụlục.
6
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀVẤN ĐỀNGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan vềsan hô và nền san hô
Nghiên cứu san hô vềmặt thiết kếvà xây dựng công trình là một lĩnh
vực kỹthuật rất phức tạp, cho tới nay còn có ít sốliệu và tác phẩm được
công bố. Ởtrong nước, trong công trình nghiên cứu [25], tác giảNguyễn
Hoa Thịnh và các cộng sự đã bước đầu thu được một sốkết quảquí về đặc
điểm phân bố, địa chất công trình và tính chất cơlý của san hô và nền san
hô tại một số đảo thuộc quần đảo Trường Sa. Đây là một trong những tài
liệu quan trọng, bước đầu cho thấy bức tranh tổng thểvềsan hô tại quần
đảo Trường Sa, làm cơsởkhoa học cho việc tính toán, thiết kếcác công
trình trên nền san hô sau này. Trong [25], bài toán tương tác giữa công
trình và nền san hô cũng bước đầu được đềcập, nhưng với mô hình tính
còn đơn giản, chưa có đủsốliệu vềtính chất cơ, lý của san hô và nền san
hô phục vụcho việc tính toán, do đó chưa phản ánh sát thực sựlàm việc
của hệthực, vì vậy ý nghĩa thực tiễn chưa cao.
Tiếp tục hướng nghiên cứu này, tác giảHoàng Xuân Lượng và các
cộng sự[10], [11], [13], [14] đã kết hợp khảo sát thực địa, nghiên cứu thực
nghiệm và lý thuyết, đã thu được một sốkết quảsâu hơn, phong phú hơn
vềtính chất cơlý của vật liệu san hô, đặc trưng động lực học của nền san
hô, cho thấy khá rõ nét về đặc điểm địa chất công trình và nền san hô các
đảo thuộc quần đảo Trường Sa. Các công trình đã công bốlà những nghiên
cứu có tính hệthống từcách tiếp cận lý thuyết đến thực nghiệm, thu được
bộsốliệu phong phú vềchỉtiêu cơ, lý của san hô và nền san hô phục vụ
thiết kếcác công trình biển đảo.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Nguyễn Đông Anh, Ngô Hồng Huệ, Vũ Đức Thanh, Đặng Ngọc Anh, Đào
Bắc Sơn (2002), Báo cáo kết quảnghiên cứu tổng quan vềtương tác cọc-nền
san hô - sóng nổ,Trung tâm Khoa học tựnhiên và Công nghệquốc gia.
2. Nguyễn Quốc Bảo, Trần Nhất Dũng (2001), Lý thuyết phần tửhữu hạn
(Tập 1), Nhà xuất bản quân đội, Hà Nội – 2001.
3. Nguyễn Quốc Bảo, Trần Nhất Dũng (2002), Lý thuyết phần tửhữu hạn
(Tập 2), Nhà xuất bản quân đội, Hà Nội – 2002.
4. Đào Huy Bích (2000), Lý thuyết đàn hồi dẻo và từbiến, Nhà xuất bản Đại
học Quốc gia Hà Nội.
5. Nguyễn Thái Chung (2009), Phương pháp sửdụng phần tửtiếp xúc trong
tính toán tương tác giữa kết cấu công trình và nền có tính chất liên kết một
chiều, Báo cáo kết quả đềtài nghiên cứu khoa học cấp Học viện, Học viện
Kỹthuật Quân sự.
6. Nguyễn Thái Chung (2006), Nền san hô và sựlàm việc của cọc trong nền
san hô, Luận án Tiến sĩkỹthuật, Học viện Kỹthuật quân sự.
7. Nguyễn Xuân Hùng (1998), Động lực học công trình biển, Nhà xuất bản
Khoa học kỹthuật, Hà Nội.
8. Phạm Khắc Hùng (2010), Báo cáo tổng kết đềtài KC.09.15/06-10, Cục
thông tin Khoa học và Công nghệquốc gia, Hà Nội.
9. Nguyễn Tiến Khiêm (2006), Cơsởkhoa học cho việc xây dựng và khai
thác công trình biển di động trên vùng biển Việt Nam, Báo cáo tóm tắt tổng
kết đềtài nghiên cứu khoa học, số5784, 04/5/2006.
132
10. Hoàng Xuân Lượng (2004), Báo cáo tổng kết đềtài KC.09.08, Cục thông
tin Khoa học và Công nghệquốc gia, Hà Nội.
11. Hoàng Xuân Lượng (2010), Báo cáo tổng kết đềtài KC.09.07/06-10, Cục
thông tin Khoa học và Công nghệquốc gia, Hà Nội.
12. Hoàng Xuân Lượng, Phạm Tiến Đạt, Nguyễn Thái Chung (2008), Lý
thuyết đàn hồi, dẻo, từbiến, Học viện Kỹthuật quân sự.
13. Hoàng Xuân Lượng, Nguyễn Thái Chung, Lê Tân (2005), “Nghiên cứu
thực nghiệm xác định tính chất cơlý của san hô và nền san hô”, Tạp chí
Khoa học và Kỹthuật, Học viện Kỹthuật Quân sự, Quý I.
14. Hoàng Xuân Lượng, Phạm Tiến Đạt, Nguyễn Thái Chung (2005), “Nền
san hô – các đặc trưng phục vụxây dựng công trình”, Hội nghịkhoa học
vềcông trình biển – DKI lần thứ2.
15. Hoàng Xuân Lượng, Nguyễn Thái Chung, Nguyễn Tất Ngân (2009), “Sử
dụng phần tửtiếp xúc trong việc giải bài toán tương tác giữa kết cấu công
trình và nền có tính chất liên kết một chiều theo mô hình bài toán phẳng”,
Tuyển tập công trình Hội nghịCơhọc toàn quốc Kỷniệm 30 năm Viện
Cơhọc và 30 năm Tạp chí Cơhọc, Hà Nội, T.1, tr 123-132.
16. Hoàng Xuân Lượng, Nguyễn Thái Chung, Nguyễn Tất Ngân (2009),
“Tính toán công trình ngầm trong nền san hô chịu tải trọng động”, Tạp chí
Khoa học và Công nghệbiển, 1(T.9), tr 10-21.
17. Hoàng Xuân Lượng, Phạm Tiến Đạt, Nguyễn Thái Chung, Lê Tân (2007)
“Nghiên cứu tính toán sựlàm việc của ống dẫn trong nền san hô có kể đến
tính làm việc một chiều của nền”, Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị
Cơhọc toàn quốc lần thứVIII, tr.303-313.
18. Đào NhưMai (2009), “Ảnh hưởng của sóng phủlên ứng xửcủa diàn
ngoài biển”, Tuyển tập công trình Hội nghịCơhọc toàn quốc, Hà Nội,
ngày 8-9 /4/2009, tr.133-143.