PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG SÓNG BIỂN VÀ DÒNG CHẢY ĐẾN ĐÁP ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU KHUNG NỔI

Luận văn kỹ thuật xây dựng: Phân tích ảnh hưởng sóng biển, dòng chảy lên kết cấu khung nổi. Nghiên cứu chuyên sâu về động lực học công trình biển.

Trường đại học

Trường Đại Học Bách Khoa

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận văn thạc sĩ

2018

101
4
0

Phí lưu trữ

35 Point

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Phân Tích Ảnh Hưởng Sóng Biển Giới Thiệu

Hơn 70% diện tích bề mặt Trái Đất là biển. Việc tận dụng không gian biển cho các công trình cơ sở hạ tầng sẽ giải quyết nhu cầu về nơi cư ngụ do dân số tăng nhanh. Các quốc đảo và quốc gia có đường bờ biển dài đã tạo ra các vùng đất mới thông qua dự án cầu cảng và đảo nổi lấn biển. Tuy nhiên, khi đối mặt với điều kiện tự nhiên khắc nghiệt và tác động môi trường, giải pháp kết cấu khung nổi là một lựa chọn hấp dẫn. Về cơ bản, có hai loại kết cấu nổi siêu lớn (VLFS): kiểu bán chìm và kiểu phao. Luận văn này tập trung vào tấm nổi dạng phao - tấm khổng lồ nổi trên mặt nước. Tấm nổi kiểu phao thích hợp cho vùng nước tĩnh, thường ở vịnh hoặc gần bờ biển. Các cấu trúc nổi lớn của tấm phao gọi là Mega - Floats.

1.1. Phân Loại Kết Cấu Nổi Tổng Quan Các Dạng VLFS

Có hai loại cấu trúc nổi chính: kiểu bán chìm và kiểu phao. Các giàn khoan dầu nổi là ví dụ điển hình của kiểu bán chìm, sử dụng ở biển lớn với sóng lớn. Tấm nổi kiểu phao phù hợp cho vùng nước tĩnh. Mega-Floats là các cấu trúc nổi rất lớn. Một hệ thống Mega-Floats bao gồm kết cấu nổi siêu lớn, cơ sở neo đậu, cầu nối từ bờ và đê chắn sóng để giảm lực sóng tác động.

1.2. Ưu Điểm Của Kết Cấu Khung Nổi So Sánh Giải Pháp

VLFS có nhiều ưu điểm so với giải pháp truyền thống, theo C. Wang và cộng sự (2008). Chúng hiệu quả về chi phí ở độ sâu nước lớn. Thân thiện với môi trường vì không gây hại cho hệ sinh thái biển. Dễ dàng và nhanh chóng xây dựng, có thể tháo dỡ hoặc mở rộng. Các cơ sở trên Mega - Floats được bảo vệ khỏi động đất. Thuận lợi sử dụng làm cầu cảng và bến tàu, phù hợp cho hoạt động giải trí và thể thao dưới nước.

II. Ứng Dụng Thực Tế Kết Cấu Nổi Ví Dụ Điển Hình

Hiện tại ở Việt Nam, ứng dụng của kết cấu nổi còn hạn chế. Các nhà hàng nổi ở Hạ Long, Vĩnh Hy và Tàu Bến Nghé là những ví dụ. Trên thế giới, VLFS được ứng dụng rộng rãi ở các quốc gia ven biển như Nhật Bản, Singapore và Mỹ trong các lĩnh vực như giao thông, giải trí và lưu trữ. Các ứng dụng bao gồm sân bay nổi, cầu nổi, bến tàu, kho chứa năng lượng, và cơ sở hạ tầng khác. Sân bay nổi là một trong những ứng dụng quan trọng, như dự án ở Nhật Bản. Cầu nổi cũng là một lựa chọn kinh tế trong vùng nước tĩnh.

2.1. Sân Bay Nổi Cầu Nổi Giao Thông Tiên Tiến

Nhật Bản đã xây dựng một sân bay nổi dài 1km và rộng 60m. Cầu nổi là lựa chọn kinh tế trong vùng nước tĩnh. Cầu Evergreen Point Bridge ở Mỹ dài 4750m với 4 làn xe. Cầu nổi ở Dubai được xây dựng trong 300 ngày, xử lý 3000 xe/giờ theo mỗi hướng. Ưu điểm là xây dựng bằng các phần nhỏ và có thể tháo rời.

2.2. Bến Tàu Kho Chứa Hỗ Trợ Vận Tải Năng Lượng

Bến tàu nổi quan trọng cho vận chuyển hàng hóa. Bến phao nổi Ujina ở Hiroshima, Nhật Bản tạo điều kiện neo đậu tàu thuyền và vận chuyển hàng hóa. Các VLFS kiểu bán nổi và kiểu phao lý tưởng cho khai thác và lưu trữ dầu khí. Các nhà máy điện gió bằng VLFS đang được xây dựng trên thế giới.

2.3. Cơ Sở Hạ Tầng Đa Dạng Giải Trí Tiện Ích Công Cộng

Ngoài các ứng dụng giao thông và năng lượng, còn có sân vận động nổi ở Singapore, nhà hàng Jumbo ở Hồng Kông và đê chắn sóng nổi ở Monaco. Nhiều kiến trúc sư và kỹ sư đang phát triển ý tưởng về các thành phố nổi bền vững, mở ra tiềm năng lớn cho tương lai.

III. Nghiên Cứu Động Lực Học Kết Cấu Khung Tổng Quan

Để ứng dụng rộng rãi, cần có quy trình và tài liệu tính toán cho kết cấu VLFS nói chung, và làm tài liệu tham khảo cho nghiên cứu sau này. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhiều phương pháp được thiết lập để phân tích ứng xử động của kết cấu nổi. Bài toán đặt ra là làm thế nào để mô phỏng chính xác sự tương tác giữa sóng biểnkết cấu. Nghiên cứu trong nước chưa có nhiều tác giả chuyên sâu về VLFS. Tuy nhiên, có nhiều luận án và bài nghiên cứu được đăng tải trên các tạp chí trong nước.

3.1. Tình Hình Nghiên Cứu Trong Nước Các Công Trình Tiêu Biểu

Nguyễn Quốc Hòa (1996) nghiên cứu động lực học giữa sóng biểncông trình biển nổi. Tác giả dùng phương pháp BEM để giải quyết bài toán tương tác giữa công trình biển nổi kích thước lớn, hình dạng bất kỳ và sóng biển. Hồ Hồng Sao, Nguyễn Văn Dũng (2011) cũng có những nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực này. Các công trình nghiên cứu tập trung vào việc mô phỏng và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố môi trường lên kết cấu biển.

3.2. Nghiên Cứu Ngoài Nước Xu Hướng Và Phương Pháp

Nghiên cứu ngoài nước về VLFS phát triển mạnh mẽ, đặc biệt ở Nhật Bản, Hàn Quốc và các nước châu Âu. Các nghiên cứu tập trung vào các vấn đề như: tương tác sóng-kết cấu, ứng xử động lực học của kết cấu, và thiết kế chịu tải của kết cấu nổi. Các phương pháp phân tích tiên tiến như phần tử hữu hạn (FEM), phần tử biên (BEM), và phương pháp thủy động lực học số (CFD) được sử dụng rộng rãi.

IV. Phương Pháp Phân Tích Động Lực Học FEM BEM

Luận văn này tập trung vào phân tích ứng xử của kết cấu khung bằng cách mô phỏng phần khung bằng phần tử hữu hạn (FEM). Phần tấm nổi siêu lớn (VLFS) được chia nhỏ thành các phần tử hữu hạn (FEM) và phần nước xung quanh kết cấu được phân chia thành các phần tử biên hằng số 4 nút (BEM). Phương pháp này kết hợp ưu điểm của cả FEM và BEM để mô phỏng chính xác sự tương tác giữa kết cấu và môi trường sóng biển.

4.1. Cơ Sở Lý Thuyết FEM Cho Khung Thiết Lập Ma Trận

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để mô phỏng phần khung của kết cấu. Cần thiết lập các ma trận khối lượng và ma trận độ cứng cho khung bằng FEM. Lý thuyết tấm Mindlin và phần tử hữu hạn cho tấm được áp dụng cho phần tấm nổi. Phương trình chuyển động của chất lỏng được sử dụng để mô tả tác động của sóng biển lên kết cấu.

4.2. Phương Pháp Phần Tử Biên BEM Tương Tác Tấm Nước

Phương pháp phần tử biên (BEM) được sử dụng để mô phỏng tương tác giữa tấm và chất lỏng. Thuật toán BEM được áp dụng để giải quyết bài toán tương tác sóng-kết cấu. Sự kết hợp giữa FEMBEM cho phép mô phỏng chính xác sự tương tác giữa tấm nổi và môi trường nước xung quanh.

V. Kết Quả Phân Tích Số Kiểm Chứng Khảo Sát Ứng Xử

Chương này trình bày kết quả phân tích số để kiểm chứng chương trình Matlab đã phát triển và khảo sát ứng xử của kết cấu khung nổi dưới tác động của sóng biểndòng chảy. Các bài toán được thiết kế để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như chiều sâu nước, bề dày tấm, module đàn hồi tấm, kích thước tấm và số tầng của khung.

5.1. Kiểm Chứng Chương Trình Matlab So Sánh SAP2000

Chương trình Matlab được kiểm chứng bằng cách so sánh kết quả với phần mềm SAP2000 cho các bài toán đơn giản như khảo sát ứng xử của khung không tương tác với nền và khung tương tác với nền đàn hồi. Kết quả so sánh cho thấy sự tương đồng tốt giữa Matlab và SAP2000, chứng minh độ tin cậy của chương trình.

5.2. Ảnh Hưởng Sóng Dòng Chảy Khảo Sát Các Yếu Tố

Các bài toán được thực hiện để khảo sát ảnh hưởng của chiều sâu nước, bề dày tấm, module đàn hồi tấm, kích thước tấm và số tầng của khung lên ứng xử của kết cấu khung nổi. Kết quả cho thấy các yếu tố này có ảnh hưởng đáng kể đến chuyển vị, lực cắt và moment của khung, cần được xem xét trong thiết kế.

VI. Kết Luận Kiến Nghị Tương Lai Nghiên Cứu VLFS

Luận văn đã trình bày phương pháp phân tích ảnh hưởng của sóng biểndòng chảy đến ứng xử động lực học của kết cấu khung nổi bằng cách kết hợp FEMBEM. Kết quả phân tích số cho thấy các yếu tố môi trường có ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử của kết cấu, cần được xem xét kỹ lưỡng trong thiết kế. Nghiên cứu này đóng góp vào việc phát triển các phương pháp thiết kế an toàn và hiệu quả cho VLFS.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu Đóng Góp Về Phương Pháp

Nghiên cứu đã phát triển một phương pháp kết hợp FEMBEM để phân tích ứng xử động lực học của kết cấu khung nổi dưới tác động của sóng biểndòng chảy. Chương trình Matlab đã được phát triển và kiểm chứng, cho phép mô phỏng chính xác sự tương tác giữa kết cấu và môi trường.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Phát Triển VLFS Bền Vững

Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm: phát triển các mô hình tương tác sóng-kết cấu phức tạp hơn, nghiên cứu ảnh hưởng của sóng cực đoan (sóng thần) lên kết cấu, và tối ưu hóa thiết kế VLFS để đảm bảo tính an toàn, bền vững và hiệu quả kinh tế. Cần có thêm nhiều nghiên cứu và ứng dụng thực tế để VLFS trở thành một giải pháp phổ biến cho các vấn đề về không gian và tài nguyên.

11/05/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Chương này giới thiệu các công trình nổi lớn (VLFS) như là một công nghệ mới và giải pháp cho việc tạo ra nơi cư ngụ mới tương lai. Chương này sẽ giới thiệu ngắn gọn, khảo sát tài liệu và phác thảo luận văn. Phần giới thiệu ngắn gọn mô tả hệ thống VLFS nói chung, ứng dụng và những lợi thế vốn có so với giải pháp kết cấu truyền thống. Ngoài ra, ví dụ về các hệ thống VLFS nổi bật từ khắp nơi trên thế giới như là bằng chứng về tầm quan trọng của VLFS.

Nghiên cứu tài liệu về các nghiên cứu, phương pháp và kết quả của VLFS do các nhà nghiên cứu khác nhau trình bày. Điều này cũng cho thấy những khoảng trống giữa các nghiên cứu được thực hiện cho đến bây giờ, những vấn đề thực tế trên thế giới. Cuối cùng, luận văn sẽ trình bày các mục tiêu, phạm vi, ý nghĩa của luận án và bố cục của luận văn.1 Cấu trúc Hơn 70% diện tích bề mặt của trái đất là biển, nếu tận dụng được một phần rất nhỏ diện tích này để xây dựng thành các công trình cơ sở hạ tầng thì chúng ta sẽ giải quyết được một nhu cầu rất lớn về nơi cư ngụ do dân số ngày cành tăng nhanh mà đất thì không thể tự giãn nở ra được. Ở các quốc đảo và quốc gia có đường bờ biển dài (Nhật Bản, Singapore, Hà Lan, Dubai,…), các kỹ sư đã tạo ra những vùng đất mới tương đối rộng lớn và có giá trị thông qua các dự án cầu cảng, các đảo nổi lấn biển.

Tuy nhiên, khi đối mặt với các điều kiện tự nhiên (vùng đáy biển quá sâu hoặc lớp đáy biển quá yếu) và việc phá hủy môi trường nặng nề (hủy hoại rặng san hô và các sinh vật biển gần bờ) thì giải pháp kết cấu nổi là ý tưởng hấp dẫn có thể giải quyết được tất cả các vấn đề trên. Về cơ bản có hai loại cấu trúc nổi rất lớn (VLFSs), cụ thể là kiểu bán chìm (Semisubmersible – type) và kiểu phao (Pontoon – type). Các giàn khoan dầu nổi Tổng quan 2 dùng để khoan và sản xuất dầu và khí đốt là những ví dụ tiêu biểu cho kiểu bán chìm này và thường được triển khai hợp lý ở những vùng biển lớn với những đợt sóng lớn. Luận văn này đề cập đến tấm nổi dạng phao – tấm khổng lồ nổi trên mặt nước.1 Phân loại Kết cấu nổi Tấm nổi kiểu phao thích hợp để sử dụng trong vùng nước tĩnh, thường nằm ở trong vịnh hoặc gần bờ biển.

Các cấu trúc nổi lớn của tấm phao gọi là những tấm Mega – Floats. Theo nguyên tắc chung, Mega – Floats là các cấu trúc nổi rất lớn. Theo như Hình 1.2, một hệ thống Mega – Floats bao gồm một kết cấu nổi (pontoon – structures) siêu lớn, (b) cơ sở neo đậu để giữ cấu trúc nổi tại chỗ, (c) cầu nối hoặc đường nổi để vào cấu trúc nổi từ bờ và (d) đê chắn sóng (thường là cần thiết nếu chiều cao sóng lớn hơn 4 m) để giảm lực sóng tác động lên cấu trúc nổi.2 Các thành phần của hệ thống Mega – Floats Tổng quan 3 1.2 Ưu điểm Ngoài việc tạo ra những vùng đất rộng lớn làm nơi cư ngụ, giải tỏa áp lực về nhu cầu sử dụng đất, VLFS này có những ưu việt hơn so với giải pháp truyền thống ở các khía cạnh sau (C. Wang và cộng sự, 2008):  Chúng có hiệu quả về mặt chi phí khi độ sâu nước lớn (khi mà chi phí cát nhập khẩu để cải tạo đất ở một số nước đã tăng đáng kể và có thể đến một thời gian mà cát có thể không có sẵn);  Thân thiện với môi trường vì chúng không gây tổn hại cho hệ sinh thái biển, hoặc làm gián đoạn dòng chảy thủy triều/đại dương;  Chúng có thể dễ dàng và nhanh chóng xây dựng (các bộ phận khác nhau có thể được sản xuất tại các xưởng đóng tàu khác nhau và sau đó được đưa đến địa điểm lắp ráp) và do vậy có thể đưa vào sử dụng một cách nhanh chóng;  Chúng có thể dễ dàng tháo dỡ (nếu cần không gian biển trong tương lai) hoặc mở rộng (vì chúng có dạng mô – đun);  Các cơ sở và công trình trên Mega – Floats được bảo vệ khỏi tác động của động đất vì chúng vốn đã bị tách rời với nền đất bằng nước biển.

 Thuận lợi sử dụng làm cầu cảng và bến tàu cho khu dân cư, thành phố nổi.  Vì vị trí của nó trong vùng nước ven biển nên khung cảnh xung quanh phù hợp cho sự phát triển liên quan đến hoạt động giải trí và thể thao dưới nước.3 Ứng dụng Hiện tại ở Việt Nam, mức độ ứng dụng của kết cấu nổi còn chưa rộng rãi: các nhà hàng nổi ở Hạ Long – Quảng Ninh, Vĩnh Hy – Ninh Thuận, nhà hàng nổi Tàu Bến Nghé – TP. Hồ Chí Minh. Tổng quan 4 Hình 1.3 Tàu Bến Nghé – TP.

Hồ Chí Minh Trên thế giới, VLFS được ứng dụng rộng rãi ở một số Quốc Gia ven biển như Nhật Bản, Singapore, Mỹ, v. Ứng dụng trong các lĩnh vực: giao thông, giải trí, lưu trữ, v. (a) Sân bay nổi: Nhật Bản đã áp dụng công nghệ VLFS để xây dựng một sân bay với 1km chiều dài, 60m bề rộng.4 mô tả hai giai đoạn của dự án do Chính phủ Nhật Bản thực hiện.4 Dự án Sân bay nổi tại Nhật Bản Tổng quan 5 (b) Cầu nổi: Những cầu nổi bằng VLFS này có thể dễ dàng xây dựng và là một lựa chọn kinh tế trong vùng nước tĩnh. Cầu nổi lớn nhất trên thế giới nằm ở Hoa Kỳ, cầu Evergreen Point Bridge dài 4750m và có 4 làn xe (Hình 1.

Ví dụ gần đây về cầu nổi là ở Dubai, là một sắp xếp tạm thời cho một dự án lớn sắp tới và có thể xử lý 3000 xe/giờ lưu thông xe cộ theo từng hướng. Nó dài 365m và rộng 22m, được xây dựng trong một thời gian kỷ lục là 300 ngày. Một lợi thế nữa của các cây cầu nổi là chúng được xây dựng bằng các phần nhỏ và có thể tháo rời.5 (a) Cầu nổi Albert D Rossellini (b) Cầu Yumemai, Nhật Bản (c) Cầu nổi ở Dubai (c) Bến tàu và căn cứ nổi: Bến tàu nổi là một phần quan trọng cho việc vận chuyển hàng hóa trên thế giới. Cấu trúc nổi của VLFS rất lý tưởng cho tàu thuyền vì các tàu có thể neo dọc theo chiều dài của bến.

Bến phao nổi Ujina (Hình 1.6) ở Hiroshima, Nhật Bản là một bến nổi bằng bêtông kéo và tạo điều kiện cho việc neo đậu tàu thuyền và vận chuyển hàng hoá. Tổng quan 6 Hình 1.6 Cầu tàu ở Ujina – Nhật Bản (d) Kho chứa và năng lượng: Với các mỏ dầu ở ngoài khơi thì VLFS kiểu bán nổi và kiểu phao là nơi khai thác lý tưởng, kho lưu trữ như kho dầu Kamigoto ở Nagasaki ở Nhật với dung tích chứa 700.000 lít và kho dầu tại Pulao Sebarok ở Singapore, chứa 3. Các nhà máy điện gió bằng VLFS được xây dựng trên thế giới như ở Mỹ, Bồ Đào Nha, Thụy Điển.7(a)Giàn khoan dầu Tập đoàn Keppel (b)Hexicon, một thiết kế của Thụy Điển cho trang trại năng lượng gió (e) Cơ sở hạ tầng: Ngoài cầu và sân bay nổi được trình bày ở trên, ngoài ra có sân vận động nổi ở vịnh Marina – Singapore, nhà hàng Jumbo ở Hồng Kông, các đê chắn sóng nổi ở Monaco vừa làm chỗ đậu xe. Nhiều kiến trúc sư và kỹ sư trên thế giới đã lên ý tưởng cho các thành phố nổi bền vững.

Một số hình vẽ về các ứng dụng trên được thể hiện ở Hình 1. Tổng quan 7 Hình 1.8(a) Sân vận động Marina, Singapore (b) Đê chắn sóng kết hợp nơi đỗ xe, Monaco seawall, Monaco (c) Nhà hàng Jumbo ở Hong Kong (d) Nhà hàng nổi hình con cua (e) Thành phố nổi Lilipads (f) Ý tưởng Trung tâm hội nghị, khách sạn ngôi sao xanh Tổng quan 8 1.2 Tình hình nghiên cứu Với các ứng dụng rộng rãi như trên, bài toán đặt ra là cần có một bộ quy trình, tài liệu để có thể tính toán – sử dụng các kết cấu VLFS nói chung và là nguồn tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu sau này. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhiều phương pháp được thiết lập để phân tích ứng xử động của kết cấu nổi.1 Các công trình nghiên cứu trong nước Trong nước hiện chưa có nhiều tác giả nghiên cứu chuyên sâu về VLFS nhưng vẫn có nhiều luận án, các bài nghiên cứu được đăng tải ở các tạp chí trong nước. Nguyễn Quốc Hòa (1996) [1] đã nghiên cứu động lực học giữa sóng biển và công trình biển nổi.

Trong luận văn của mình, tác giả đã dùng phương pháp BEM để giải quyết bài toán tương tác động lực học giữa công trình biển nổi chuyên dụng có kích thước lớn, hình dạng bất kỳ với sóng biển theo mô hình không gian của vật thể. Hồ Hồng Sao, Nguyễn Văn Dũng (2011) [2] nghiên cứu mô hình vật lý hiệu quả giảm sóng của đê chắn sóng nổi hình hộp cho khu tránh trú bão tàu thuyền. Bài báo đề cập đến hiệu quả giảm sóng của đê chắn sóng nổi thông qua nghiên cứu mô hình vật lý, được tiến hành trong máng sóng của Phòng Thí nghiệm Thủy lực – Đại học Thuỷ Lợi. Kết quả thí nghiệm cho thấy hiệu quả giảm sóng của đê là đáng kể.

Nguyễn Văn Chình (2013) [3] nghiên cứu động lực học về kết cấu công trình biển trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng biển và gió. Ông đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô hình công trình biển, trong luận văn của mỉnh ông quan niệm thay thế nền bằng ngàm cứng khi kết cấu và nền không tương tác. Nguyễn Quốc Hòa (2013) [4] nghiên cứu ảnh hưởng của độ sâu nước đến mô men uốn dọc và lực cắt do sóng của kho chứa nổi. Ông đã trình bày kết quả tính toán khảo sát ảnh hưởng của độ sâu nước đến lực cắt theo phương đứng Fz và mômen uốn dọc M y do sóng tác dụng lên kết cấu thân kho chứa nổi dạng tàu, bằng phần mềm Hydrostar.

Nguyễn Quốc Hòa (2015) [4] đã ứng dụng phương pháp hàm thế để giải bài toán truyền sóng đều qua đê chắn sóng dạng tường rèm theo phương pháp BEM. Bài báo này trình bày lý thuyết và thuật toán tính toán sự biến đổi sóng khi lan truyền gặp các công trình chắn dạng rèm mỏng. Tổng quan 9 Phạm Hiền Hậu, Phạm Hồng Đức (2016) [4] đã nghiên cứu dự báo và đánh giá ảnh hưởng của khoảng tĩnh không đối với các công trình biển nổi có kể đến hiệu ứng phi tuyến bậc hai của tải trọng sóng.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ