CHƯƠNG 1.1 Giới thiệu về VLFS và tải nhiệt độ Một trong những vấn đề về tại các khu vực trọng điểm kinh tế đất nước đó là sự thiếu hụt trầm trọng diện tích đất xây dựng. Do sự gia tăng không ngừng của quá trình đô thị hóa cùng với phát triển của nền kinh tế thì nhu cầu về chỗ ở của con người ngày càng tăng, trong khi đó diện tích đất liền xây dựng thì hạn chế do đó ngày càng nhiều dự án lấn biển đã được triển khai tại một số quốc gia có diện tích lãnh thổ nhỏ giống như Singapore, UAE, Qatar. Hàng loạt đảo nhân tạo được con người xây dựng. Tuy nhiên giải pháp này yêu cầu chi phí lớn chưa kể trường hợp gặp vùng đất yếu.
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. Việc xây dựng một hệ thống kết cấu nổi siêu rộng VLFS đã là giải pháp nhằm tìm ra hướng đi mới trong lĩnh vực xây dựng. Hiện nay các hệ thống kết cấu nổi hiện đại đã và đang được các quốc gia trên thế giới xúc tiến xây dựng, tiêu biểu như các nước Nhật Bản, Ý, Pháp, Mỹ, Trung Quốc, Hàn Quốc…Tại Việt Nam đã có một số nghiên cứu về vấn đề trên. Tuy nhiên các nghiên cứu này chỉ tập trung phân tích, khảo sát kết cấu tấm nổi có kích thước nhỏ, sự ảnh hưởng của sự thay đổi vận tốc của tải trọng di động, hướng di chuyển của tải trọng, tác động của sóng biển đối với ứng xử chuyển vị của kết cấu tấm nổi vẫn chưa được nghiên cứu khảo sát làm rõ.
Xét trên sơ đồ SWOT phân tích hệ thống VLFS kết cấu nổi ta có nhận xét như sau: Về thế mạnh S- Strengths: + Ứng dụng tốt cho vùng nước sâu vì VLFS không chịu nhiều ảnh hưởng của đáy biển và độ sâu vùng nước, không phụ thuộc địa chất của đáy biển vì đây là kết cấu nổi Tổng quan 2 + Thân thiện và ít ảnh hưởng đến môi trường vì không tác động đến dòng hải lưu và hệ sinh thái biển. + Thời gian thi công nhanh, dễ dàng mở rộng hoặc tháo dỡ vì cấu thành từ các mô đun nhỏ được chế tạo sẵn tại xưởng, chi phí xây dựng rẻ. + Không bị ảnh hưởng của động đất, tận dụng được lực đẩy nổi của biển. Về điểm yếu W- Weaknesses: + Không bị ảnh hưởng của động đất nhưng lại bị ảnh hưởng bởi biển động, sóng thần, vì vậy khu vực neo đậu xây dựng VLFS phải có nước biển ổn định trong các khu vực vịnh hoặc xây dựng những tường chắn sóng nhân tạo.
+ Việc sử dụng tấm nổi trong vùng nước biển mở, ngoài khơi, cần có nghiên cứu sâu để giảm chi phí và cần có giải pháp tin cậy. Về cơ hội O- Opportunities: + Mở ra hướng đi mới ngành xây dựng trên các kết cấu nổi khổng lồ, hàng loạt dự án công trình nổi, kho hàng nổi, căn cứ quân sự nổi, cứu hộ nổi, bãi tiếp liệu nổi trên biển. + Tận dụng được diện tích lớn của biển để xây dựng nên những công trình, đảo nổi. Về thách thức T-Threats: + Cần phổ biến về vật liệu này, cung cấp đầy đủ tri thức để hiểu rõ đặc tính của VLFS từ đó có cách sử dụng và phổ biến rộng rãi đến nhiều khu vực nhiều ngành.
+ Hiện tại chỉ có rất ít công trình VLFS còn đang sử dụng trên thế giới, một số phục vụ công tác nghiên cứu nên chưa phổ biến rộng rãi. Cần nhiều nguồn lực để đẩy mạnh ứng dụng của kết cấu nổi siêu lớn. Tổng quan 3 Vì các cơ sở phân tích trên VLFS được các nước tiên tiến trên thế giới nghiên cứu và đưa vào sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Một trong những bước đi đầu ứng dụng của tấm nổi phải kể đến đó chính là Nhật Bản đã thiết kế, chế tạo đảo nổi nhân tạo.
Hay còn gọi với tên là Mega-Float vào năm 1995 Hình 1. Một số nước khác như: Canada đã xây dựng một sân bay trực thăng nổi ở Vancouver và cầu nổi Kelowna (Hình 1.3), Na Uy có cầu nổi Bergsoysund và cầu Nordhorn Land có phần nổi, Hoa Kỳ cũng có những cây cầu nổi ở tiểu bang Washington. Vương quốc Anh, Ả Rập Saudi, Brazil và các quốc gia khác cũng sử dụng cấu trúc nổi cho các cây cầu và các mục đích khác. Nhật có căn cứ lưu trữ dầu nổi ở Shirashima (Hình 1.
Đồng thời, Nhật cũng có nhà máy năng lượng mặt trời nổi 70MW ở tỉnh Kagoshima (Hình 1. Ngoài ra còn ứng dụng cho khác như sân bay nổi, cầu nổi, kho lưu trữ nổi, căn cứ khẩn cấp nổi, v.1 Mô hình sân bay nổi Mega-Float ở vịnh Tokyo [1] [2] Tổng quan 4 Hình 1.2 Sân bay trực thăng nổi ở Hình 1.3 Cầu nổi Kelowna [4] Vancouver, Canada [3] Hình 1.4 Căn cứ lưu trữ dầu nổi ở Hình 1.5 Trạm năng lượng mặt trời Shirashima, Japan [5] nổi ở Kagoshima, Japan [6] 1.2 Tổng quan về tải nhiệt độ Một trong những vấn đề về tại các khu vực trọng điểm kinh tế đất nước đó là sự thiếu hụt trầm trọng diện tích đất xây dựng. Do sự gia tăng không ngừng của quá trình đô thị hóa cùng với phát triển của nền kinh tế thì nhu cầu về chỗ ở của con người ngày càng tăng, trong khi đó diện tích đất liền xây dựng thì hạn chế do đó ngày càng nhiều dự án lấn biển đã được triển khai tại một số quốc gia có diện tích lãnh thổ nhỏ giống như Singapore, UAE, Qatar. Hàng loạt đảo nhân tạo được con người xây dựng.
Tuy nhiên giải pháp này yêu cầu chi phí lớn chưa kể trường hợp gặp vùng đất yếu. 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. Việc xây dựng một hệ thống kết cấu nổi siêu rộng VLFS đã là giải pháp nhằm tìm ra hướng đi mới trong lĩnh vực xây dựng. Tổng quan 5 Các cấu kiện kết cấu ngày nay như tấm và dầm được sử dụng rộng rãi trong ứng dụng này thường phải chịu tải trọng cơ học.
Nhưng bên cạnh đó các thành phần kết cấu được sử dụng trong các phương tiện hàng không và vũ trụ, cũng như các kết cấu dân dụng và cơ khí thường gặp phải môi trường nhiệt khắc nghiệt. Trong đó, một trong những yếu tố phải kể đến là nhiệt độ. Nếu sự thay đổi nhiệt độ đủ cao, những ứng suất này có thể đạt đến mức có thể dẫn đến hỏng kết cấu, đặc biệt là đối với vật liệu giòn. Trong thực tế tính toán kết cấu bỏ qua về yếu tố tải nhiệt độ.
Một số tác động hậu quả như Hình 1. Do nhiệt độ chênh lệch, phần lạnh co lại nhiều hơn phần nóng, điều này hạn chế sự co lại. Dẫn đến ứng suất kéo vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông tại chỗ thì vết nứt nhiệt sẽ xuất hiện. Các vết nứt ngang và vết nứt dọc có khoảng cách gần nhau do sốc nhiệt dễ phát triển thành các vết nứt và dập nát trong thời gian dài do hệ quả của bức xạ mặt trời.6 Vết nứt nhiệt trên Hình 1.7 Các vết nứt nhiệt trên cầu bê tông cốt thép [7] đường nhựa [7] Vì vậy, đối với nhiều vấn đề liên quan đến sự biến đổi nhiệt độ cao, kiến thức về phân tích ứng suất nhiệt có thể rất quan trọng.
Hiểu rõ ứng xử của ứng suất nhiệt giúp cho khoa học có thể hiểu được bản chất vấn đề từ đó đưa ra các giải pháp để khắc phục nhược điểm và tạo cơ sở sử dụng rộng rãi các tấm và dầm được thực hiện để đối phó với các ứng suất nhiệt, biến dạng, vênh và rung của các tấm và vỏ làm phát sinh nhu cầu dựa trên các phương pháp phân tích khác nhau. Các kỹ thuật giải tích trong việc giải quyết các vấn đề này có những hạn chế nghiêm trọng vì những khó khăn trong việc tìm ra các nghiệm dạng đóng của phương trình vi phân phi tuyến. Do đó, các phân tích về các tấm nhiệt khác nhau đã thu hút nhiều nhà nghiên cứu. Với các phương pháp phân tích thông thường, độ võng của tấm được thể hiện dưới dạng chuỗi.
Tổng quan 6 Tuy nhiên, có một số vấn đề khó khăn trong phân tích môi trường nhiệt và điều kiện biên khác nhau. Ứng suất nhiệt, đặc biệt là tại mặt phân cách giữa hai vật liệu khác nhau, thường là một yếu tố quan trọng dẫn đến sự hư hỏng của kết cấu composite nhiều lớp. Do đó, cần phải dự đoán chính xác ứng suất nhiệt trong kết cấu hỗn hợp. Đồng thời, đây cũng là động lực mạnh mẽ để thay thế kết cấu tấm nhiều lớp bằng FGM nếu có thể.
Vật liệu composite chịu tải nhiệt và tải trọng chuyển động là một vấn đề phức tạp mà tại đây phương pháp phần tử hữu hạn có nhiều điểm hạn chế thay vào đó phương pháp phần tử chuyển động được sử dụng để phân tích các vấn đề về tấm nhiệt trong nghiên cứu này.2 Tình hình nghiên cứu 1.1 Những nghiên cứu về kết cấu nổi cực lớn Cấu trúc nổi cực lớn VLFS là cấu trúc nổi, có kích thước từ 300m trở lên giống như một cái phao khổng lồ. Với có diện tích bề mặt lớn nhưng bề dày lại nhỏ nên tỷ số bề dày và kích thước nhỏ nên chuyển vị do biến dạng uốn đàn hồi chiếm ưu thế so với chuyển động của khối tâm. Một số kết quả nghiên cứu về ứng xử của VLFS dưới tác động của sóng đã được công bố như Watanabe và cộng sự [8] khảo sát và nghiên cứu thủy đàn hồi, cung cấp các phương trình và điều kiện biên cho tấm nổi cùng với các phương pháp thông thường để giải toán; Suzuki và cộng sự [9] đã phân tích các ứng xử của VLFS dưới tác động của sóng biển, đưa ra nhiều kết luận về ảnh hưởng mô hình cấu trúc đến độ chính xác phân tích. Wang và Wang [10] tính toán ứng suất của tấm nổi đàn hồi bằng sử dụng lý thuyết tấm Mindlin có sử dụng lý thuyết sóng tuyến tính.
Trong luận văn này, bài toán tấm dài vô hạn sẽ được giải quyết nhanh hơn bằng phương pháp phần tử chuyển động MEM (Moving Element Method). Phương pháp này có những thuận lợi sau: tải di động sẽ không bao giờ đến biên vì phần tử được đề xuất luôn chuyển động. Điểm thuận lợi thứ hai là tải di động sẽ không phải di chuyển từ phần tử này đến phần tử khác, do đó tránh được việc cập nhật véc tơ tải trọng.
