CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Kết cấu nổi siêu lớn đã thu hút sự chú ý của các kiến trúc sư, các nhà quy hoạch và kỹ sư bởi vì chúng đã mang lại một phương pháp thú vị và thân thiện với môi trường hơn các phương pháp lấn biển truyền thống trong việc tạo thêm không gian sống. Ứng dụng của kết cấu nổi siêu lớn như là khách sạn, nhà kho lưu trữ nhiên liệu, cầu, sân bay nổi, các tấm năng lượng mặt trời hoặc thậm chí là thành phố nổi đã được bắt đầu nghiên cứu và phát triển trong hai thập kỉ gần đây. Giới thiệu Việc xây dựng các VLFS đã được đề xuất như một giải pháp thay thế cho phương pháp cải tạo đất truyền thống.
Hệ thống kết cấu nổi có nhiều ưu điểm so với các kết cấu khác như: ứng dụng tốt cho vùng nước sâu, thân thiện và ít ảnh hưởng đến môi trường, thời gian thi công nhanh, dễ dàng mở rộng hoặc tháo dỡ, không bị ảnh hưởng của động đất, tận dụng được lực đẩy nổi của biển, không chịu ảnh hưởng của hiện tượng ấm lên toàn cầu. Các VLFS này có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, chẳng hạn như: sân bay nổi, cầu nổi, kho lưu trữ nổi, căn cứ khẩn cấp nổi,… Hình 1-1 The Mega-Float, Vịnh Tokyo, Nhật Bản [68] Tổng quan 2 Hình 1-2 Bãi đáp trực thăng nổi, Vancouver, Canada [69] Hình 1-3 Căn cứ lưu trữ dầu nổi, Fukuoka, Nhật Bản [70] Về cơ bản có 2 loại VLFS là: Semi-submersible và Pontoon. Các kết cấu nửa chìm nửa nổi (Semi-submersible) (Hình 1-4) được giữ cho nổi trên mực nước biển bằng cách sử dụng các cột dạng ống hoặc các kết cấu giằng nhằm giảm thiểu tác động của sóng trong khi vẫn duy trì một lực nổi liên tục (Hình 1-5). Do đó, chúng có thể làm giảm dao động do sóng gây ra và thích hợp ở những vùng biển lớn với những đợt sóng lớn.
Những giàn khoan khai thác dầu khí và sản xuất dầu và khí đốt là những ví dụ điển hình cho loại kết cấu này. Tổng quan 3 Hình 1-4 Semi-submersible Ioliar trên sông Elbe (1990) [70] Hình 1-5 Mô tả cách thức hoạt động của kết cấu Semi-submersible tại các vùng nước sâu [70] Ngược lại, kết cấu phao nổi (Pontoon) nằm trên mực nước biển như một tấm khổng lồ trôi nổi trên mặt nước. Kết cấu nổi dạng Pontoon thích hợp để sử dụng trong các vùng nước tĩnh lặng, thường nằm trong vịnh hoặc đầm và gần bờ biển. Các kết cấu nổi Pontoon siêu lớn được các kỹ sư Nhật gọi là những Mega-Float.
Trong luận văn này chỉ đề cập đến kết cấu nổi siêu lớn VLFS loại phao nổi. Tình hình nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài 1. Những nghiên cứu về kết cấu nổi chịu tải trọng di động Kết cấu nổi siêu lớn thường có kích thước phương ngang lên đến vài trăm mét thậm chí hàng nghìn mét nhưng bề dày chỉ khoảng vài mét. Do sở hữu tỷ số giữa bề dày và kích thước trong mặt phẳng ngang khá nhỏ, nên chuyển vị do biến dạng đàn hồi chiếm ưu thế so với do chuyển vị của khối tâm.
Nhiều nghiên cứu về ứng xử thủy Tổng quan 4 đàn hồi của tấm nổi dưới tác động của tải di động sử dụng phương pháp biến đổi Fourier (FTM, Fourier Transform Method) đã được thực hiện như trong các tài liệu tham khảo [1]–[8]. Tuy nhiên, FTM còn hạn chế khi giải quyết những kết cấu có độ phức tạp cao. Vì vậy, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM, Finite Element Method) đã được sử dụng bởi nhiều học giả như một phương pháp thay thế ([9], [10]). Tuy nhiên, trong trường hợp vùng nước khá lớn và sâu, như đại dương là một ví dụ điển hình, một phương pháp kết hợp giữa FEM và phần tử biên (BEM, Boundary Element Method) hay còn gọi là BEM-FEM đã được đề xuất như một giải pháp hiệu quả về mặt thời gian tính toán [11].
Nhiều nghiên cứu đã được công bố sử dụng BEM-FEM để phân tích ứng xử thủy đàn hồi của tấm nổi dưới tác động của sóng biển và tải di động ([12] –[17]). Về mô hình kết cấu, bên cạnh việc sử dụng những mô hình đồng nhất và đẳng hướng, để mô hình hóa chi tiết hơn ứng xử của kết cấu VLFS nhằm tăng tính chính xác cho việc xác định ứng suất và độ võng, cũng như độ ổn định của các cấu kiện tạo nên VLFS, nhiều mô hình mới đã được đề xuất như: mô hình vỉ phẳng [18], mô hình sandwich grillage [18], mô hình 3D FEM [19], mô hình tấm trực hướng [20],… Các nghiên cứu vừa nêu chỉ giới hạn trong lý thuyết sóng tuyến tính, một dạng lý thuyết sóng nước khác được áp dụng trong những trường hợp độ sâu đủ nhỏ so với bước sóng của sóng bề mặt có tên là lý thuyết nước nông dạng tuyến tính (lý thuyết thủy triều). Một số nghiên cứu về ứng xử kết cấu nổi chịu tải trọng di động dưới giả thiết nước nông đã được thực hiện bởi Sturova ([21]–[25]). Vùng nước nông Trong các nghiên cứu được đề cập bên trên, các bài toán được giới hạn trong lý thuyết sóng nước tuyến tính biên độ nhỏ.
Một dạng lý thuyết sóng nước khác với lý thuyết sóng tuyến tính được áp dụng trong những trường hợp độ sâu đủ nhỏ so với bước sóng của sóng bề mặt có tên là lý thuyết nước nông dạng tuyến tính (lý thuyết thủy triều). Theo lý thuyết này, chuyển vị và độ dốc của mặt nước không cần giả thiết là nhỏ, và lý thuyết này không phải là hệ quả của lý thuyết sóng tuyến tính. Nhiều hiện tượng trong tự nhiên mà lý thuyết này đưa ra những dự đoán chính xác như thủy triều, dòng chảy trong sông hoặc bờ biển, v. Một số nghiên cứu về ứng xử kết cấu nổi chịu tải trong di động dưới giả thuyết nước nông có thể kể đến như sau.
Ứng xử theo thời gian của một tấm đàn hồi nổi trên vùng nước nông đã được khảo sát bởi Tổng quan 5 Meylan [26]. Sturova [23] đã xác định được nghiệm của bài toán thủy đàn hồi của một tấm nổi hữu hạn dưới tác động của tải điều hòa. Ứng xử của dầm đàn hồi chịu nhiều loại tải khác nhau có và không có xét đến khối lượng của tải trọng được nghiên cứu bởi Sturova [21]. Đồng thời, ứng xử của một tấm tròn đàn hồi do tác động ngoại tải gây ra sử dụng phương pháp tổ hợp hàm dao động cũng đã được thực hiện bởi Sturova [23].
Một phương pháp miền thời gian đã được Sturova [22] phát triển để phân tích ứng xử thủy đàn hồi của một dải có bề dày không đồng nhất nổi trên vùng nước nông có độ sâu biến thiên. Ertenkin và Kim [27] đã khảo sát ứng xử của tấm nổi kích thước hữu hạn nổi trên vùng nước nông chịu tác động của sóng tới theo phương xiên góc với trục đối xứng trong mặt phẳng của tấm. Các nghiên cứu trên giới hạn trong lý thuyết tấm mỏng, ứng xử của tấm nổi trên vùng nước nông sử dụng lý thuyết tấm dày được nghiên cứu bởi Praveen và cộng sự [28]. Ngoài ra, ảnh hưởng của liên kết đàn hồi giữa tấm và đáy biển lên ứng xử theo thời gian của một tấm nổi được khảo sát dưới điều kiện vùng nước nông bởi Karperaki và cộng sự [29].
Những nghiên cứu về tải trọng di động Phân tích ứng xử của kết cấu dưới tác động của tải di động là một chủ đề được quan tâm từ rất lâu, nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này đã ra đời. Chẳng hạn như, phương pháp FTM đã ứng dụng để giải quyết bài toán động lực học của một tải trọng tùy ý di chuyển dọc theo kết cấu tựa trên nền đàn hồi [30]. FEM cũng đã được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng để giải quyết những bài toán có độ phức tạp cao ([31]– [35]). Đối với các loại kết cấu nói chung, việc giải quyết bài toán tải trọng di động bằng phương pháp FEM có nhiều hạn chế.
Trong quá trình nghiên cứu hệ thống đường ray tàu cao tốc, Koh [36] đã đưa ra một phương pháp số mới được gọi là phần tử chuyển động (MEM, Moving Element Method). Phương pháp này đưa ra cách tiếp cận hiệu quả và thuận tiện hơn cho bài toán động lực học của những hệ thống di động trong miền cố định. Nhiều nghiên cứu ứng dụng MEM cho các bài toán ray tàu cao tốc và nền đường đã được thực hiện ([37]–[44]). Mô hình dầm hai lớp được kết nối bởi một lớp đàn hồi Về mô hình dầm ghép, hệ dầm này gồm 2 lớp được liên kết với nhau thông qua một lớp đàn hồi.
Hệ dầm ghép được ứng dụng rộng rãi trong thực tế như sàn nổi của Tổng quan 6 đường ray [45], hệ thống đường ray băng qua cầu [46], dầm sandwich sử dụng một lớp liên kết [47] và hệ giảm dao động [48]. Seelig và Hoppman [49] đã phát triển và giải hệ phương trình vi phân của hệ dầm song song nối bởi một lớp đàn hồi. Oniszczuk [50] đã khảo sát dao động tự do của hai dầm song song tựa đơn, nhiều nhịp được liên kết bởi lớp đàn hồi loại Winkler. Ngoài ra, ứng xử động lực học của hệ dầm ghép này dưới tác động của tải di động được nghiên cứu bởi Abu-Hilal [51].
Nhiều nghiên cứu về ứng xử của hệ dầm này trong nhiều điều kiện khác nhau được liệt kê trong báo cáo của Alborz Mirzabeigy và cộng sự [52]. Tình hình nghiên cứu trong nước Một số nghiên cứu về tấm nổi chịu tải trọng di động được xuất bản và đăng trên các tạp chí và hội nghị khoa học trong nước như sau: Nguyễn và cộng sự [59], trình bày phương pháp phần tử chuyển động cho phân tích ứng tấm nổi nhiều lớp chịu tải trọng di chuyển trên vùng nước nông. Nguyễn và cộng sự [60], trình bày phân tích ứng xử của tấm mỏng nổi trên vùng nước nông chịu tải trọng di chuyển sử dụng phương pháp phần tử chuyển động. Ngoài ra, còn có một số nghiên cứu trong các Luận văn Thạc sĩ có liên quan như: Luận văn Thạc sĩ của Nguyễn Cửu Nhất Anh (2015) [61], phân tích động lực học tấm FGM chịu tải trọng di động sử dụng phần tử chuyển động 2-D.
Luận văn Thạc sĩ của Trần Minh Phương (2017) [62], phân tích ảnh hưởng sóng biển đến đáp ứng động lực học của kết cấu tấm nổi VLFS. Luận văn Thạc sĩ của Nguyễn Phượng Kiều (2018) [63], trình bày phương pháp kết hợp giữa phần tử biên và phần tử hữu hạn trong phân tích tấm nổi trực hướng chịu tải trọng di động.
