Luận văn thạc sĩ về tương tác giữa khung và móng trong kỹ thuật xây dựng

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật xây dựng tương tác giữa khung và móng sử dụng mô hình móng với lý thuyết chảy dẻo nhiều mặt, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề

• Tác giả: Ngô Tấn Sanh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Sỹ Lâm
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Xây Dựng Dân dụng và Công nghiệp
• Đề tài: Tương tác giữa khung và móng sử dụng mô hình móng với lý thuyết chảy dẻo nhiều mặt
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.2. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.3. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH SOS_3D
• 2.2. MÔ HÌNH KẾT CẤU
• 2.2.1. Ma trận độ cứng tuyến tính
• 2.2.2. Ma trận độ cứng phi tuyến
• 2.2.2.1. Dầm cột 2 phương
• 2.2.2.2. Mở rộng ảnh hưởng đến biến dạng cắt (2D)
• 2.2.2.3. Dầm cột 3 phương
• 2.2.2.4. Mở rộng xét đến ảnh hưởng biến dạng cắt (3D)
• 2.2.3. Ma trận khối lượng
• 2.2.4. Ma trận cản
• 2.3. MÔ HÌNH MÓNG (ISIS)
• 2.3.1. Mặt chảy dẻo
• 2.3.2. Ứng xử đàn hồi
• 2.3.3. Quy luật củng cố
• 2.3.4. Quy luật chảy dẻo
• 2.3.5. Mô hình 1 mặt chảy dẻo
• 2.3.5.1. Hàm năng lượng và việc xác định biến trạng thái bên trong cho móng sử dụng khái niệm “macro – element”
• 2.3.5.2. Hàm chảy dẻo cho móng tròn nông và spudcan
• 2.3.5.3. Hàm chảy dẻo cho móng caisson
• 2.3.5.4. Quy luật chảy dẻo
• 2.3.5.5. Ứng xử gia số ứng suất biến dạng
• 2.3.6. Mô hình nhiều mặt chảy dẻo (ISIS) – công thức rời rạc hóa
• 2.3.6.1. Rời rạc hóa các hàm năng lượng tự do và các hàm nội biến
• 2.3.6.2. Hàm chảy dẻo
• 2.3.6.3. Điều chỉnh các hàm chảy dẻo
• 2.3.6.4. 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)
• 2.3.6.5. Quy luật chảy dẻo và ứng xử gia số sử dụng lời giải phụ thuộc tốc độ
• 2.4. HỆ TƯƠNG TÁC KẾT CẤU – MÓNG
• 2.4.1. Phân tích mô hình móng chảy dẻo - Tương tác giữa SOS_3D và ISIS
• 2.4.2. Những nhận xét
• 2.5. PHƯƠNG PHÁP GIẢI
• 2.5.1. Phân tích tĩnh học
• 2.5.1.1. Phân tích tĩnh học tuyến tính
• 2.5.1.2. Phân tích tĩnh học phi tuyến
• 2.5.2. Phân tích động học
• 2.5.2.1. Phân tích động học tuyến tính
• 2.5.2.2. Phân tích động học phi tuyến
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH TƯƠNG TÁC
• 3.1. TÓM TẮT CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ LÝ THUYẾT NỀN
• 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)
• 3.1.2. Mô 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)
• 3.1.2.1. Phân tích móng nông
• 3.1.2.2. Ưu điểm của mô hình
• 3.2. MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU
• 3.3. Giới hạn nghiên cứu
• 3.4. Các lưu đồ của thuật toán chủ yếu
• 3.5. Xây dựng mô hình tương tác ISIS với SOS_3D
• 4. CHƯƠNG 4: VÍ DỤ TÍNH TOÁN
• 4.1. VÍ DỤ SỐ VÀ MÔ HÌNH TOÁN
• 4.2. TRƯỜNG HỢP CÓ XÉT MÓNG VỚI MÔ HÌNH NHIỀU MẶT CHẢY DẺO
• 4.3. SO SÁNH GIỮA MÔ HÌNH MỘT MẶT CHẢY DẺO VÀ MÔ HÌNH NHIỀU MẶT CHẢY DẺO
• 4.4. TRƯỜNG HỢP KHÔNG XÉT MÓNG
• 5. CHƯƠNG 5: NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN
• 5.1. TÓM TẮT CÔNG VIỆC ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC
• 5.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Tóm tắt

I. Tương tác khung móng

Nghiên cứu tập trung vào tương tác khung móng trong kỹ thuật xây dựng, sử dụng mô hình chảy dẻo để phân tích ứng xử của kết cấu. Mục tiêu chính là xây dựng thủ tục kết nối giữa mô hình phân tích móng ISIS và mô hình phân tích khung SOS_3D. Phân tích kết cấu được thực hiện để đánh giá sự ảnh hưởng của móng lên khung trong các công trình ngoài khơi như giàn khoan và tuabin gió.

1.1. Mô hình chảy dẻo

Mô hình chảy dẻo được áp dụng để mô phỏng ứng xử của móng nông dưới tải trọng. Mô hình này sử dụng lý thuyết chảy dẻo nhiều mặt, giúp giảm thiểu số bậc tự do và tiết kiệm thời gian tính toán. Phương pháp chảy dẻo cho phép mô phỏng ảnh hưởng của tải trọng tuần hoàn lên móng, đặc biệt hữu ích trong các công trình ngoài khơi.

1.2. Phân tích tương tác

Phân tích tương tác giữa khung và móng được thực hiện bằng cách kết nối hai mô hình ISIS và SOS_3D. Quá trình này giúp đánh giá chính xác sự ảnh hưởng của móng lên khung, đặc biệt trong các điều kiện tải trọng phức tạp. Tính toán tương tác được thực hiện thông qua ngôn ngữ lập trình FORTRAN, đảm bảo độ chính xác và hiệu quả.

II. Kỹ thuật xây dựng

Nghiên cứu đề cập đến các kỹ thuật xây dựng hiện đại, đặc biệt là trong lĩnh vực xây dựng công trình ngoài khơi. Thiết kế móng và kết cấu khung được phân tích chi tiết, với sự hỗ trợ của các mô hình toán học và phần mềm chuyên dụng. Phương pháp xây dựng được đề xuất nhằm tối ưu hóa quá trình thiết kế và thi công.

2.1. Thiết kế móng

Thiết kế móng trong nghiên cứu tập trung vào các loại móng nông như móng spudcan và móng caisson. Các phương pháp tính toán được cải tiến để phù hợp với điều kiện địa chất và tải trọng đặc thù của công trình ngoài khơi. Độ bền kết cấu được đảm bảo thông qua việc áp dụng các mô hình chảy dẻo tiên tiến.

2.2. Kết cấu khung

Kết cấu khung được phân tích bằng mô hình phần tử hữu hạn, xét đến các hiệu ứng P-Delta và phân tích động lực học. Kỹ thuật chịu lực được áp dụng để đảm bảo khả năng chịu tải của khung trong các điều kiện tải trọng khắc nghiệt. Mô hình hóa kết cấu giúp dự đoán chính xác ứng xử của khung dưới tác động của tải trọng môi trường.

III. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn có giá trị ứng dụng thực tiễn cao. Các kết quả phân tích được áp dụng vào thiết kế và thi công các công trình ngoài khơi, giúp tối ưu hóa chi phí và thời gian. Xây dựng công trình được cải thiện đáng kể nhờ vào các phương pháp tính toán và mô hình hóa tiên tiến.

3.1. Thiết kế kết cấu

Thiết kế kết cấu được cải tiến nhờ vào việc áp dụng các mô hình chảy dẻo và phân tích tương tác khung móng. Phương pháp xây dựng được đề xuất giúp giảm thiểu rủi ro và tăng độ bền của công trình. Các kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng thông qua các ví dụ tính toán cụ thể.

3.2. Phân tích kết quả

Phân tích kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa mô hình một mặt chảy dẻo và mô hình nhiều mặt chảy dẻo. Độ bền kết cấu được cải thiện đáng kể khi áp dụng mô hình nhiều mặt chảy dẻo. Các kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế và thi công các công trình ngoài khơi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và cấu trúc của luận văn. - Chương 2 là toàn bộ cơ sở lý thuyết tính toán được áp dụng cho luận văn này, và phương pháp tính toán. - Chương 3 gồm toàn bộ nội dung mô hình áp dụng chương trình tương tác. - Chương 4 là toàn bộ kết quả nghiên cứu áp dụng cho ví dụ tính toán đối với mô hình cụ thể của giàn khoan 3 chân ngoài 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 toán nhằm để đưa ra các lời khuyên hữu ích trong thiết kế công trình. - 5- Chương 2 : Cơ sở lý thuyết CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. 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 công trình ngoài khơi theo 2 chiều hoặc 3 chiều. Nó được phát triển để đáp ứng nhu cầu công cụ phân tích tiên tiến nhằm đánh giá các công trình đặc biệt về giàn khoan.

Các ứng dụng khác có thể bao gồm các tuabin gió ngoài khơi. Chương trình có cách tiếp cận đến cả 3 thành phần tương tác gồm kết cấu, móng và tải trọng môi trường (gió, sóng và nước). Tất cả các mô 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.

Fy My Fx Mx Mz Y FZ X Z Hình 2. 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 toán có thể được thiết lập theo phương trình (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 2.1 phân tích tuyến tính và 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 không cần thiết chuyển đổi nữa. Trong phân tích tổng hợp của sự tương tác móng-kết cấu- chất lỏng, không những kết cấu mà còn 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 mô 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. Tương tự, tải trọng sóng đưa thêm lực cản 2. Các phần sau đây chi tiết các mô hình làm việc trong SOS_3D, giải thích các tương tác giữa chúng và cung cấp thông tin về phương pháp giải. MÔ HÌNH KẾT CẤU 2.

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 toán 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 quá 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.

Przemieniecki (1968) [13], Livesley (1975) [14], Coates et al. (1994)) [15] và được thể hiện trong phương trình (2. - 7- Chương 2 : Cơ sở lý thuyết  klocal 3D    EA EA   l 0 0 0 0 0  0 0 0 0 0  l    0 12 Elz 6Elz 12 Elz 6 Elz  0 0 0 0  0 0 0  l3 l2 l3 l2     0 12El y 6 El y 12 El y 6El y 0 0  0 0 0  0  0   l 3 l 2 l 3 l2   GJ GJ   0 0 0 0 0 0 0 0  0 0   l l   6 El y 4 El y 6 El y 2 El y   0 0  2 0 0 0 0 2 0 0   l l l l   6 El z 4 Elz 6 El 2 Elz   0 0 0 0 0  2z 0 0 0   l2 l l l  (2.2)  EA EA   0 0 0 0 0 0 0 0 0 0   l l   12 El 6 Elz 12Elz 6Elz   0  3 z 0 0 0  0 0 0 0  2  l l2 l3 l    12 El y 6El y 12 El y 6 El y   0 0  3 0 2 0 0 0 3 0 0  l l l l2    0 Gl GJ 0 0  0 0 0 0 0 0 0   l l   6 El y 2 El y 6 El y 4 El y   0 0  0 0 0 0 0 0   l 2 l l 2 l   2 El y   0 6 El z 6 El 4 Elz  0 0 0 0  2z 0 0 0  l2 l l l  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 EA   l 0 0  0 0  l    0 12 EI z 6 EI z 12 EI z 6 EI z  0   l3 l2 l3 l2     0 6 EI z 4 EI z 6 EI 2 EI z  0  2z  l2 l l l  [klocal 2 D ]    (2.3) EA EA  0 0 0 0   l l   12 EI z 6 EI z 12 EI z 6 EI   0   0  2z  l3 l2 l3 l   6 EI z 2 EI z 6 EI 4 EI z   0 0  2z l2 l l l  - 8- 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 không gian 2D có thể như sau : cos   sin  0 0 0 0  sin  cos  0 0 0 0    0 0 1 0 0 0 [ B2 D ]    (2.4)  0 0 0 cos   sin  0  0 0 0 sin  cos  0    0 0 0 0 0 1 Với x y cos   và sin   (2.5) L L 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 xy cos   Lz sin  xy sin   Lz cos   L   x  z  L 2 2  x 2  z 2 L        [ r 0]   y  x  z  cos  2 2   x 2  z 2  sin   (2.6) L L L       z y z cos   Lx sin  yz sin   Lx cos     L   x  z  L 2 2  x 2  z 2   L 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. 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 xy  Lz cos   L   x  z L 2 2  x 2  z 2 L        [ r 0]   y  x  z  2 2 0  (2.7) L L       z yz  Lx cos     L   x  z L 2 2  x 2  z 2 L  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  (2.8) 0 0 1  nếu dầm xác định song song với trục tổng quát y hướng dương, và  0 1 0 [ r 0]   1 0 0  (2.9)  0 0 1  Theo phương trục âm Ma trận chuyển đổi  B  được lắp ghép từ : - 10- Chương 2 : Cơ sở lý thuyết [ r 0] 0 0 0   0 [ r 0] 0 0  [ B]   (2.10)  0 0 [ r 0] 0     0 0 0 [ r 0] 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.