Mô Hình Giảm Bậc cho Phân Tích Tương Tác Động Lực Đất-Ống Dẫn: Luận Án Tiến Sĩ

Acknowledgements

Published Content and Contributions

List of Illustrations

List of Tables

1. CHƯƠNG 1: Introduction

1.1. Pipelines and seismic actions

1.2. Methods for soil-pipe interaction analysis

1.2.1. Model neglecting soil-pipe interaction

1.2.2. Beam-on-Winkler-foundation model considering soil-pipe interaction

1.3. Full three-dimensional model considering soil-pipe interaction

1.4. Challenges in soil-pipe interaction analysis

1.5. Organization of the text

2. CHƯƠNG 2: Smooth nonlinear hysteresis model for coupled biaxial soil-pipe interaction in sandy soils

2.1. Uniaxial hysteresis model

2.2. Biaxial hysteresis model

2.3. Finite element method

2.4. Smoothed-particle hydrodynamics

2.5. Validation of the FEM and SPH models

2.6. Parameter calibration for BMBW model

2.7. Uniaxial cyclic loading

2.8. Suggestions for input parameters

3. CHƯƠNG 3: Dynamic axial soil impedance function for rigid circular structures buried in elastic half-space

3.1. Review of axial soil impedance function

3.2. Analytical solution for soil impedance function of homogeneous half-space

3.3. Finite element analysis for soil impedance functions of homogeneous and two-layered half-spaces

3.3.1. Numerical computation of impedance function

3.3.2. Finite element models

3.4. Homogeneous half-space

3.5. Two-layered half-space

3.5.1. Effect of material contrast

3.5.2. Effect of structure location

4. CHƯƠNG 4: Dynamic in-plane soil impedance functions for rigid circular structures buried in elastic half-space

4.1. Review of in-plane soil impedance functions

4.2. Analytical solution for soil impedance functions of homogeneous half-space

4.3. Traction-free condition at 𝑦 = 0

4.4. Dirichlet boundary condition at cylinder interface

4.5. Calculation of in-plane soil impedance functions

4.6. Direct evaluation of the integral

4.7. Finite element analysis for soil impedance functions of homogeneous and two-layered half-spaces

4.7.1. Numerical computation of in-plane soil impedance functions

4.7.2. Finite element models

4.8. Homogeneous half-space

4.8.1. Effect of burial depth

4.8.2. Effect of Poisson’s ratio

4.9. Two-layered half-space

4.9.1. Effect of material contrast

4.9.2. Effect of structure location

5. CHƯƠNG 5: Application: Reduced-order modeling of buried pipe subjected to the propagation of Rayleigh surface wave

5.1. Models for soil-pipe interaction analysis

5.1.1. Model neglecting soil-pipe interaction

5.1.2. Model considering soil-pipe interaction with free-field input

5.1.3. Models based on substructure and finite element methods

5.2. Results and comparisons

5.3. Summary of previous chapters

Appendix A: Asymptotic method for computing high oscillatory integrals

I. Tổng Quan Mô Hình Giảm Bậc Phân Tích Đất Ống Dẫn

Mạng lưới đường ống chôn ngầm đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển nước, khí đốt tự nhiên, nhiên liệu và dầu mỏ. Chúng là huyết mạch của xã hội hiện đại. Theo CIA (2018), tổng chiều dài đường ống trên toàn cầu khoảng 3.500.000 km. Sự gia tăng nhanh chóng nhu cầu toàn cầu về nước và năng lượng đã đặt ra yêu cầu cao về lắp đặt, vận hành và khả năng phục hồi của các mạng lưới truyền tải. Do đó, việc phân tích tương tác động lực đất-ống dẫn trở nên vô cùng quan trọng. Các phương pháp hiện tại còn nhiều hạn chế, đòi hỏi các mô hình hiệu quả hơn, đặc biệt là các mô hình giảm bậc. Các nghiên cứu trước đây cho thấy rằng biến dạng nền đất do địa chất có thể gây ra rủi ro đáng kể cho các hệ thống đường ống. Các hướng dẫn của ASCE (1984), PRCI (2004), ALA (2005) và CEN (2006) chỉ ra hai loại nguy cơ động đất chính liên quan đến tính toàn vẹn của đường ống: biến dạng nền đất tạm thời (TGD) và biến dạng nền đất vĩnh viễn (PGD).

1.1. Tầm quan trọng của phân tích tương tác đất ống SPI

Đánh giá chính xác cách đất truyền tải trọng lên ống dẫn, và ngược lại, là yếu tố then chốt trong thiết kế các hệ thống đường ống có khả năng phục hồi tốt. Dữ liệu quan sát sau động đất cho thấy thiệt hại cho đường ống chủ yếu do biến dạng nền đất vĩnh viễn (PGD) gây ra, tập trung ở các khu vực riêng biệt với tỷ lệ thiệt hại cao. Một cách tiếp cận đúng đắn giúp giảm thiểu rủi ro và đảm bảo an toàn cho cộng đồng.

1.2. Các loại tải trọng động tác động lên ống dẫn chôn ngầm

Các nguy cơ động đất chính ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của ống dẫn bao gồm biến dạng nền đất tạm thời (TGD), tức là rung lắc mặt đất do sóng địa chấn, và biến dạng nền đất vĩnh viễn (PGD), là các hư hỏng mặt đất do đứt gãy, lan truyền bên, trượt lở và chuyển động của sườn dốc. TGD có thể gây ra biến dạng không mong muốn trong mạng lưới đường ống, đặc biệt ở các môi trường đất không đồng nhất. Cần xem xét cả hai loại tải trọng này trong quá trình phân tích.

II. Thách Thức Phân Tích Tương Tác Động Lực Đất Ống Dẫn

Phân tích tương tác động lực đất-ống dẫn (SPI) đặt ra nhiều thách thức đáng kể. Các phương pháp truyền thống thường bỏ qua sự phức tạp của hành vi phi tuyến của đất và sự tương tác giữa đất và ống. Mô hình hóa chính xác ứng xử động lực của hệ thống đòi hỏi các phương pháp tính toán phức tạp và tốn kém. Việc kiểm chứng các mô hình bằng dữ liệu thực nghiệm cũng rất khó khăn. Theo luận án, các phương pháp phân tích tương tác đất-ống có thể được phân loại thành ba loại chính: mô hình bỏ qua tương tác đất-ống, mô hình dầm trên nền Winkler, và mô hình ba chiều đầy đủ. Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào độ chính xác và chi phí tính toán mong muốn.

2.1. Hạn chế của mô hình dầm trên nền Winkler truyền thống

Mặc dù đơn giản và hiệu quả về mặt tính toán, mô hình dầm trên nền Winkler dựa trên giả định rằng phản ứng của đất là tuyến tính và cục bộ. Điều này không chính xác khi đất thể hiện hành vi phi tuyến và tương tác trên một vùng rộng hơn. Mô hình này cũng bỏ qua ảnh hưởng của các yếu tố như độ sâu chôn lấp và loại đất. Cần các cải tiến để mô hình hóa chính xác hơn.

2.2. Độ phức tạp của mô hình ba chiều và chi phí tính toán cao

Mô hình ba chiều đầy đủ có khả năng mô phỏng tương tác đất-ống một cách chi tiết hơn, nhưng đòi hỏi chi phí tính toán rất lớn. Việc xây dựng và giải các mô hình này tốn nhiều thời gian và tài nguyên, khiến chúng không phù hợp cho các ứng dụng thực tế. Ngoài ra, việc thu thập dữ liệu đầu vào chính xác cho các mô hình này cũng là một thách thức lớn.

2.3. Yêu cầu về kiểm chứng mô hình bằng dữ liệu thực nghiệm

Việc kiểm chứng các mô hình tương tác đất-ống bằng dữ liệu thực nghiệm là rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của chúng. Tuy nhiên, việc thực hiện các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm hoặc ngoài hiện trường tốn kém và khó khăn. Cần có các phương pháp kiểm chứng hiệu quả hơn và dễ tiếp cận hơn.

III. Giải Pháp Mô Hình Giảm Bậc ROM cho Bài Toán Đất Ống

Để giải quyết các thách thức trên, luận án này đề xuất sử dụng mô hình giảm bậc (ROM) để phân tích tương tác động lực đất-ống dẫn. ROM là một kỹ thuật giảm số lượng bậc tự do trong mô hình, giúp giảm đáng kể chi phí tính toán mà vẫn duy trì được độ chính xác chấp nhận được. Nghiên cứu này trình bày việc phát triển một macroelement đơn giản hóa để nắm bắt SPI trong đất rời rạc chịu tải trọng tùy ý vuông góc với trục ống. Mô hình giảm bậc cung cấp một sự cân bằng tốt giữa độ chính xác và hiệu quả tính toán, cho phép phân tích hệ thống đất-ống phức tạp một cách hiệu quả.

3.1. Ưu điểm của mô hình giảm bậc POD và ROM

Mô hình giảm bậc POD (Proper Orthogonal Decomposition) và ROM (Reduced Order Model) cho phép giảm kích thước của bài toán bằng cách xác định các chế độ quan trọng nhất của biến dạng. Điều này dẫn đến giảm đáng kể thời gian tính toán mà vẫn duy trì được độ chính xác cao. Các mô hình giảm bậc đặc biệt hữu ích cho các bài toán phân tích động lực học phức tạp.

3.2. Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp số

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để tạo ra dữ liệu huấn luyện cho việc xây dựng ROM. FEM cho phép mô phỏng chính xác hành vi của đất và ống dưới các điều kiện tải trọng khác nhau. Các phương pháp số khác cũng được sử dụng để giải các phương trình chi phối của mô hình giảm bậc.

3.3. Phát triển mô hình phần tử vĩ mô cho tương tác đất ống

Luận án đề xuất một macroelement đơn giản hóa được thiết kế để nắm bắt tương tác đất-ống trong đất rời rạc. Macroelement này sử dụng một mô hình trễ đơn trục có thể nắm bắt các đường cong phản lực-chuyển vị phi tuyến mượt mà của các bài toán SPI. Bằng cách sử dụng bộ lọc Kalman không dấu, tham số mô hình κ kiểm soát độ mượt mà của vùng chuyển tiếp từ tuyến tính sang dẻo được suy ra bằng cách sử dụng dữ liệu thực nghiệm đã được công bố.

IV. Mô Hình Trễ Phi Tuyến Cách Tiếp Cận Mới cho SPI

Luận án này giới thiệu một mô hình trễ phi tuyến mới để mô tả tương tác đất-ống dẫn trong đất cát. Mô hình này có khả năng mô phỏng chính xác hành vi phi tuyến và phụ thuộc vào lịch sử tải trọng của đất. Bằng cách sử dụng bộ lọc Kalman không dấu, tham số mô hình κ kiểm soát độ mượt mà của vùng chuyển tiếp từ tuyến tính sang dẻo được suy ra bằng cách sử dụng dữ liệu thực nghiệm đã được công bố. Mô hình mới được kiểm chứng bằng các kết quả thí nghiệm và mô phỏng số, cho thấy độ chính xác cao.

4.1. Mô hình đất đàn hồi dẻo và các ứng dụng

Việc sử dụng mô hình đất đàn hồi-dẻo, như mô hình Mohr-Coulomb, mô hình Hardening Soil và mô hình Cam Clay, cho phép mô phỏng chính xác hơn hành vi của đất dưới tải trọng động. Các mô hình này tính đến các yếu tố như độ bền cắt, góc ma sát trong và độ chặt của đất.

4.2. Hiệu chỉnh tham số mô hình bằng bộ lọc Kalman không dấu

Bộ lọc Kalman không dấu (UKF) là một phương pháp hiệu quả để ước lượng các tham số của mô hình trễ phi tuyến từ dữ liệu thực nghiệm. UKF cho phép tính đến các yếu tố như nhiễu và độ không đảm bảo trong dữ liệu, giúp cải thiện độ chính xác của mô hình.

4.3. Mở rộng mô hình đơn trục sang hiệu ứng tải trọng hai trục

Mô hình đơn trục được mở rộng sang các hiệu ứng tải trọng hai trục và macroelement có thể nắm bắt các hiệu ứng như thắt nút và ghép nối giãn nở cắt. Các thông số đầu vào của mô hình được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng các phân tích phần tử hữu hạn (FE) được xác thực bằng các thí nghiệm. Các FDC của mô hình hai trục được xác minh bằng cách so sánh với các mô phỏng FE và thủy động lực học hạt làm mịn (SPH) cho các mẫu tải khác nhau: đơn trục tuần hoàn, hình chữ 0, hình chữ 8 và tải trọng tạm thời.

V. Ứng Dụng Phân Tích Ống Chôn Ngầm Chịu Sóng Rayleigh

Luận án trình bày một ứng dụng thực tế của ROM để phân tích ứng xử của ống chôn ngầm chịu tác dụng của sóng Rayleigh. Kết quả cho thấy rằng ROM có thể mô phỏng chính xác phản ứng của ống với chi phí tính toán thấp hơn nhiều so với phân tích phần tử hữu hạn trực tiếp. Theo luận án, có thể kết hợp các SIF thu được trước đó vào một mô hình giảm bậc để phân tích các bài toán SPI, cụ thể là một ống thẳng chịu sóng bề mặt Rayleigh lan truyền qua các bán không gian đàn hồi đồng nhất và không đồng nhất. Lịch sử thời gian dịch chuyển được tính toán tại các điểm kiểm soát được hiển thị là phù hợp với các lịch sử được tính toán bằng các phân tích phần tử hữu hạn hai chiều trực tiếp.

5.1. Mô phỏng ống chịu tác dụng của sóng Rayleigh

Sóng Rayleigh là một loại sóng địa chấn lan truyền trên bề mặt đất. Việc mô phỏng ứng xử của ống chôn ngầm dưới tác dụng của sóng Rayleigh là rất quan trọng để đánh giá rủi ro động đất cho các hệ thống đường ống. ROM cho phép mô phỏng chính xác sự tương tác giữa sóng Rayleigh và ống, giúp đưa ra các quyết định thiết kế tốt hơn.

5.2. So sánh kết quả ROM với phân tích phần tử hữu hạn trực tiếp

Kết quả thu được từ ROM được so sánh với kết quả từ phân tích phần tử hữu hạn (FEA) trực tiếp để xác minh độ chính xác của mô hình. Kết quả so sánh cho thấy rằng ROM có thể mô phỏng chính xác phản ứng của ống với chi phí tính toán thấp hơn nhiều so với FEA trực tiếp.

5.3. Áp dụng hàm trở kháng đất động lực vào mô hình giảm bậc

Luận án trình bày các giải pháp phân tích để tính toán các hàm trở kháng đất dọc trục và trong mặt phẳng miền tần số (SIF) cho một cấu trúc tròn cứng vô hạn dài được chôn ngang trong bán không gian đàn hồi đồng nhất. Bằng cách sử dụng khai triển chuỗi Hankel- và Bessel-Fourier, một bài toán giá trị biên hỗn hợp đã được giải quyết, xem xét dịch chuyển điều hòa tại ranh giới cấu trúc và điều kiện biên không kéo tại bề mặt tự do bán không gian. Chúng tôi sau đó đã xác minh các giải pháp phân tích của mình bằng cách sử dụng các kết quả thu được từ các mô phỏng FE.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Mô Hình Giảm Bậc Tương Lai

Luận án này đã trình bày một phương pháp hiệu quả để phân tích tương tác động lực đất-ống dẫn bằng cách sử dụng mô hình giảm bậc. Phương pháp này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong thiết kế và đánh giá độ an toàn của các hệ thống đường ống. Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc mở rộng mô hình để bao gồm các loại đất phức tạp hơn và các điều kiện tải trọng khác nhau. Ngoài ra, việc phát triển các phương pháp kiểm chứng mô hình hiệu quả hơn cũng là một hướng đi quan trọng. Nghiên cứu của Asimaki, D. Seylabi (2019), cho thấy những mô hình giảm bậc thế hệ tiếp theo sẽ rất quan trọng trong tương lai.

6.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của các loại đất và tải trọng khác nhau

Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc mở rộng ROM để bao gồm các loại đất phức tạp hơn, chẳng hạn như đất sét và đất nhiều lớp. Ngoài ra, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện tải trọng khác nhau, chẳng hạn như động đất và lún đất, cũng là rất quan trọng.

6.2. Phát triển các phương pháp kiểm chứng mô hình hiệu quả

Việc phát triển các phương pháp kiểm chứng ROM hiệu quả hơn là rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của mô hình. Các phương pháp này có thể bao gồm việc sử dụng dữ liệu thực nghiệm từ các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm hoặc ngoài hiện trường, cũng như so sánh kết quả ROM với kết quả từ các mô hình phức tạp hơn.

6.3. Tối ưu hóa thiết kế đường ống chôn ngầm bằng mô hình giảm bậc

ROM có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế đường ống chôn ngầm, giúp giảm chi phí xây dựng và tăng độ an toàn. Bằng cách sử dụng ROM để mô phỏng ứng xử của ống dưới các điều kiện tải trọng khác nhau, các kỹ sư có thể thiết kế các hệ thống đường ống có khả năng chịu được các tác động bất lợi từ môi trường.

Mô Hình Giảm Bậc cho Phân Tích Tương Tác Động Lực Đất-Ống Dẫn