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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kỹ thuật xây dựng công trình ngoài khơi, các kết cấu như giàn khoan tự nâng và trụ tuabin điện gió thường xuyên phải chịu tải trọng môi trường khổng lồ với lực sóng và gió dao động từ 4 MN đến hơn 25 MN, cùng tải trọng bản thân lên tới 200 MN tại các vùng biển có độ sâu từ 10m đến 30m. Vấn đề cốt lõi đặt ra là các phương pháp phân tích truyền thống thường lý tưởng hóa liên kết chân móng thành ngàm cứng hoặc các gối tựa lò xo đàn hồi tuyến tính đơn giản. Cách tiếp cận này bỏ qua hoàn toàn hiện tượng biến dạng dẻo tích lũy, sự suy giảm độ cứng của nền đất cát và đất sét dưới tác động của tải trọng lặp tuần hoàn, dẫn đến việc đánh giá sai lệch đáng kể phản ứng động học và nội lực thực tế của kết cấu khung bên trên.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là xây dựng quy trình và thuật toán tương tác hai chiều hoàn chỉnh giữa mô hình móng phi tuyến đàn dẻo ISIS và mô hình phân tích khung kết cấu không gian 3 chiều SOS_3D. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán tương tác đất - kết cấu cho giàn khoan 3 chân ngoài khơi sử dụng móng spudcan và móng caisson chịu tác động của hệ tải trọng kết hợp 6 bậc tự do.

Nghiên cứu được hoàn thành tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi giúp tối ưu hóa từ 15% đến 25% độ an toàn kết cấu khung ngoài khơi, đồng thời cắt giảm hơn 30% thời gian tính toán so với các mô hình phần tử hữu hạn 3D khối đất liên tục thông qua việc áp dụng khái niệm phần tử vĩ mô hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp của hai nền tảng lý thuyết cơ học tiên tiến:

Thứ nhất là lý thuyết chảy dẻo nhiều mặt cho nền móng công trình ngoài khơi do Houlsby và Puzrin khởi xướng năm 2000, sau đó được phát triển hoàn thiện bởi Nguyễn Sỹ Lâm năm 2005 trong chương trình ISIS. Mô hình này sử dụng hệ nhiều mặt chảy dẻo lồng nhau cùng quy luật củng cố hỗn hợp đẳng hướng và động học để mô tả chính xác ứng xử trễ đàn - dẻo và sự tiêu tán năng lượng của đất dưới tải trọng chu kỳ.

Thứ hai là lý thuyết phần tử hữu hạn dầm - cột không gian 3 chiều phi tuyến hình học xét đến hiệu ứng P-Delta và ma trận định hướng khớp quay hữu hạn theo nghiên cứu của Kassimali và Abbasnia năm 1991, được tích hợp trong chương trình SOS_3D.

Mô hình nghiên cứu bao gồm bốn khái niệm then chốt:

• Phần tử vĩ mô (macro-element): Gom toàn bộ ứng xử phức tạp của nền đất vào một điểm tham chiếu tải trọng duy nhất tại đáy móng với 6 thành phần lực và chuyển vị tương ứng.
• Mặt chảy dẻo chuẩn hóa: Biên giới hạn đàn hồi trong không gian lực 6 chiều với thông số lệch tâm elip a bằng -0.2 cho cát thô silic và hệ số ma sát chuẩn hóa h0 bằng 0.154.
• Quy luật chảy dẻo không kết hợp: Cho phép mô phỏng chính xác sự biến đổi thể tích, hiện tượng trượt và chuyển vị đứng của móng dưới tác dụng của tải trọng ngang và momen uốn.
• Ma trận cản Rayleigh: Kết hợp tuyến tính giữa ma trận khối lượng và ma trận độ cứng để lọc bỏ các dao động bậc cao trong phân tích động lực học kết cấu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm tiêu chuẩn từ Trung tâm Nền móng Công trình Ngoài khơi thuộc Đại học Tây Úc và các chuỗi thí nghiệm chịu tải phức tạp của Đại học Oxford trên đất sét Speswhite và cát khô Yellow Leighton-Buzzard.

Phương pháp phân tích chủ đạo là phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến kết hợp thuật toán lặp Newton-Raphson từng bước gia tải. Trong mỗi bước lặp, ma trận độ cứng tiếp tuyến từ mô-đun móng ISIS được cập nhật trực tiếp vào ma trận độ cứng tổng thể của mô-đun kết cấu SOS_3D thông qua mã nguồn được lập trình bằng ngôn ngữ FORTRAN.

Cỡ mẫu nghiên cứu được thiết lập cụ thể trên mô hình giàn khoan tự nâng 3 chân điển hình với móng spudcan hình nón tương đương có đường kính tiếp xúc đáy biển 15m. Phương pháp chọn mẫu điển hình này được áp dụng vì giàn khoan tự nâng 3 chân chiếm hơn 70% tổng số lượng công trình thăm dò dầu khí tại các vùng biển nông và trung bình từ 10m đến 30m. Phương pháp phân tích phần tử vĩ mô được lựa chọn vì vượt trội hơn hẳn mô hình phần tử hữu hạn khối đất liên tục về tốc độ xử lý, loại bỏ việc chia lưới hàng vạn phần tử đất phức tạp mà vẫn giữ được độ chính xác kỹ thuật vượt trội. Quá trình tính toán mô phỏng và kiểm chứng thuật toán được thực hiện liên tục từ tháng 07/2011 đến tháng 02/2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích số cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các mô hình tính toán, thể hiện qua 3 phát hiện kỹ thuật cốt lõi:

Thứ nhất, việc xét đến tính mềm và biến dạng dẻo của móng làm tái phân phối đáng kể nội lực trong kết cấu khung. So với mô hình ngàm cứng lý tưởng, mô hình có xét tương tác móng làm giảm momen uốn tại vị trí chân cột từ 22% đến 35%. Tuy nhiên, chuyển vị ngang tại đỉnh giàn khoan lại tăng lên từ 18% đến 28% do liên kết chân móng bị xoay và trượt dẻo.

Thứ hai, mô hình 5 mặt chảy dẻo thể hiện tính ưu việt vượt trội trong việc mô tả hiện tượng suy giảm độ cứng liên tục và hình thành các vòng trễ năng lượng khép kín dưới tải trọng đổi chiều. Ngược lại, mô hình một mặt chảy dẻo xem toàn bộ miền bên trong mặt giới hạn là đàn hồi thuần túy, dẫn đến việc bỏ qua các biến dạng dẻo tích lũy nhỏ và gây sai lệch độ lún dư tích lũy lên tới hơn 40% sau nhiều chu kỳ tải.

Thứ ba, sức chịu tải ngang và khả năng kháng momen của móng spudcan đạt giá trị cực đại khi tải trọng đứng duy trì ở mức khoảng 50% sức chịu tải đứng giới hạn lớn nhất. Khi tải trọng đứng vượt quá ngưỡng này hoặc giảm xuống quá thấp, biên độ mặt chảy dẻo bị co hẹp, làm tăng nguy cơ trượt phẳng hoặc bật nhổ móng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự suy giảm momen chân cột là do đất nền dưới đáy móng spudcan bị phá hủy dẻo cục bộ và chuyển vị xoay, hoạt động như một khớp dẻo bán cứng giúp giải phóng năng lượng tập trung. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với các quan sát thực nghiệm của Martin năm 1994 và Cassidy năm 1999 tại hiện trường Biển Bắc, đồng thời khẳng định rằng các thiết kế giả định ngàm cứng đang đánh giá quá cao momen uốn chân cột nhưng lại đánh giá quá thấp độ võng tổng thể của giàn.

Trong báo cáo kỹ thuật, dữ liệu tương tác được trực quan hóa sinh động thông qua các đồ thị quan hệ lực ngang - chuyển vị ngang và momen uốn - góc xoay. Các biểu đồ vòng trễ năng lượng hình thoi thể hiện rõ khả năng dập tắt dao động của nền đất. Bảng so sánh nội lực giữa 3 chân móng cho thấy chân móng phía đón gió chịu tải trọng nhổ và lực cắt gia tăng mạnh, trong khi hai chân móng phía khuất gió chịu tải trọng nén tăng thêm khoảng 30%, chứng minh tính bất đối xứng rõ rệt trong làm việc không gian của kết cấu.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao chất lượng thiết kế và an toàn vận hành cho các công trình biển, nghiên cứu đưa ra 4 khuyến nghị hành động thiết thực:

1. Áp dụng quy trình phân tích tương tác phi tuyến khung - móng vào công tác thiết kế thực tế cho 100% các dự án giàn khoan tự nâng và tháp tuabin gió móng caisson từ nay đến năm 2026. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư trưởng và công ty tư vấn thiết kế công trình dầu khí biển, với mục tiêu cắt giảm từ 8% đến 12% khối lượng thép kết cấu chân giàn nhờ tận dụng sự phân phối lại nội lực.
2. Tích hợp thuật toán phần tử vĩ mô ISIS vào các bộ phần mềm thương mại phân tích kết cấu biển phổ biến trong giai đoạn 12 đến 18 tháng tới. Nhóm nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật và viện dầu khí chịu trách nhiệm chuyển giao công nghệ, nhằm rút ngắn thời gian tính toán động đất và sóng bão xuống từ 3 đến 5 lần so với phương pháp chia lưới đất thông thường.
3. Thực hiện đo đạc và quan trắc lún thực địa định kỳ trên ít nhất 5 giàn khoan đang vận hành tại thềm lục địa Việt Nam trong vòng 2 năm. Chủ đầu tư và các đơn vị vận hành mỏ cần tiến hành thu thập số liệu góc xoay chân móng sau mỗi mùa mưa bão để hiệu chỉnh các tham số độ dẻo của đất cát và đất sét tại chỗ.
4. Cập nhật và bổ sung tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế công trình ngoài khơi quốc gia trước năm 2027 do Bộ Xây dựng phối hợp Bộ Công Thương ban hành, trong đó quy định bắt buộc phải kiểm tra ứng xử dẻo tích lũy của móng spudcan dưới tác động của bão biển cấp 12 trở lên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị chuyên sâu và công cụ thực hành cụ thể cho 4 nhóm đối tượng:

• Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình biển: Nắm vững phương pháp mô hình hóa chính xác liên kết chân móng, áp dụng trực tiếp để tối ưu hóa kích thước tiết diện dầm cột cho hơn 10 loại hình giàn khoan và giàn khai thác cố định.
• Kỹ sư địa kỹ thuật ngoài khơi: Sử dụng khung lý thuyết chảy dẻo 6 bậc tự do và quy luật củng cố hỗn hợp để dự báo chính xác sức chịu tải, độ lún tích lũy và chuyển vị ngang của móng spudcan và suction caisson trong nền đất yếu.
• Giảng viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành Xây dựng Dân dụng - Công nghiệp và Công trình Biển: Khai thác mã nguồn thuật toán FORTRAN, hệ phương trình ma trận độ cứng phi tuyến và các lưu đồ tính toán làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu chuyên sâu về cơ học đất phi tuyến.
• Quản lý dự án và chủ đầu tư năng lượng ngoài khơi: Hiểu rõ cơ chế làm việc thực tế của móng công trình biển để đưa ra quyết định lựa chọn phương án móng tối ưu, giúp tiết kiệm từ 10% đến 15% tổng chi phí đầu tư xây lắp nền móng.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình phần tử vĩ mô có ưu điểm vượt trội gì so với phương pháp phần tử hữu hạn khối đất thông thường? Mô hình phần tử vĩ mô đóng gói toàn bộ ứng xử phi tuyến của đất nền vào một điểm đại diện duy nhất tại đáy móng với 6 bậc tự do. Cách làm này giúp giảm hơn 90% số bậc tự do của toàn hệ thống, rút ngắn thời gian xử lý từ vài ngày xuống còn vài phút mà vẫn đảm bảo độ chính xác trên 95% trong việc mô phỏng phản lực và chuyển vị chân móng.

Tại sao mô hình nhiều mặt chảy dẻo lại chính xác hơn mô hình một mặt chảy dẻo truyền thống? Mô hình một mặt chảy dẻo giả định toàn bộ không gian bên trong mặt giới hạn hoàn toàn đàn hồi tuyến tính, do đó không thể mô tả được độ suy giảm độ cứng và sự tích lũy biến dạng dẻo dưới tải trọng đổi chiều. Mô hình 5 mặt chảy dẻo phân chia miền ứng suất thành nhiều tầng giới hạn lồng nhau, giúp tái hiện chính xác vòng trễ năng lượng và độ lún dẻo tích lũy qua từng chu kỳ sóng.

Quy trình kết nối giữa chương trình ISIS và SOS_3D được triển khai như thế nào? Hai chương trình được liên kết chặt chẽ thông qua giao thức truyền dữ liệu lặp từng bước được viết bằng ngôn ngữ FORTRAN. Trong mỗi bước tăng tải, chuyển vị tại các nút chân cột từ SOS_3D được truyền sang ISIS để tính toán trạng thái dẻo của móng, sau đó ISIS cập nhật ma trận độ cứng tiếp tuyến ngược trở lại ma trận độ cứng tổng thể của SOS_3D cho đến khi hội tụ nghiệm Newton-Raphson.

Nghiên cứu có thể áp dụng cho loại móng công trình biển nào khác ngoài móng spudcan? Toàn bộ khung lý thuyết và thuật toán xây dựng trong luận văn được thiết lập tổng quát cho bài toán 6 bậc tự do, do đó hoàn toàn áp dụng hiệu quả cho móng giếng chìm hạ bằng phương pháp hút nước (suction caisson) và móng nông hình tròn phẳng dùng cho trụ tuabin gió ngoài khơi trên cả nền cát và nền sét.

Hiệu ứng phi tuyến hình học P-Delta ảnh hưởng như thế nào đến độ ổn định của giàn khoan? Khi giàn khoan bị nghiêng do tải trọng gió và sóng, tải trọng đứng rất lớn tác dụng lệch tâm sẽ sinh ra thêm momen uốn phụ P-Delta dọc thân cột, làm tăng momen chân cột thêm từ 15% đến 25%. Sự gia tăng này đẩy nhanh điểm trạng thái ứng suất tại đáy móng chạm tới mặt chảy dẻo, làm giảm khả năng chịu tải tổng thể của công trình.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công thủ tục tương tác hoàn chỉnh giữa mô hình móng phi tuyến ISIS và mô hình kết cấu khung không gian SOS_3D bằng ngôn ngữ FORTRAN.
• Ứng dụng thành công lý thuyết chảy dẻo nhiều mặt với hệ 5 mặt giới hạn để mô phỏng chính xác hiện tượng suy giảm độ cứng và vòng trễ năng lượng của nền đất dưới tải trọng tuần hoàn.
• Chứng minh rõ ràng quy luật phân phối lại nội lực khung: giảm momen uốn chân cột tới 35% nhưng làm tăng chuyển vị ngang đỉnh giàn thêm 28% so với mô hình ngàm cứng truyền thống.
• Thiết lập công cụ tính toán hiệu quả cao cho móng spudcan và móng caisson chịu tác động của hệ lực không gian phức tạp với đầy đủ 6 bậc tự do.
• Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng giúp nâng cao tính an toàn và tiết kiệm đáng kể chi phí vật liệu trong thiết kế công trình dầu khí và năng lượng tái tạo ngoài khơi.

Trong vòng 12 tháng tới, hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung mở rộng mô hình cho bài toán phân tích động lực học ngẫu nhiên theo miền thời gian dưới tác động đồng thời của động đất và sóng bão cực đại. Các đơn vị tư vấn và kỹ sư công trình biển hãy áp dụng ngay phương pháp tương tác khung - móng tiên tiến này vào các dự án thực tế để tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho công trình biển.

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.