Luận Án Tiến Sĩ Về Phân Tích Động Lực Học và Ổn Định Kết Cấu Công Trình Biển Trên Nền San Hô

Luận án tiến sĩ nghiên cứu phân tích phi tuyến động lực học và ổn định của kết cấu công trình biển hệ thanh trên nền san hô, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng dụng

• Tác giả: Nguyễn Thanh Hưng
• Người hướng dẫn: GS.TS Hoàng Xuân Lượng
• Trường học: Học viện Kỹ thuật Quân sự
• Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
• Đề tài: Phân Tích Động Lực Học và Ổn Định Kết Cấu Công Trình Biển Trên Nền San Hô
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Sơ lược về san hô và nền san hô
• 1.2. Công trình biển và tải trọng phổ biến tác dụng lên công trình biển
• 1.3. Tổng quan về công trình biển
• 1.4. Tổng quan về tải trọng tác dụng lên công trình biển
• 1.5. Tải trọng sóng biển
• 1.6. Tải trọng gió
• 1.7. Tổng quan về tính toán công trình biển
• 1.8. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.9. Tình hình nghiên cứu ở trong nước
• 1.10. Các kết quả nghiên cứu đạt được từ các công trình đã công bố
• 1.11. Các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu
• 1.12. Kết luận rút ra từ tổng quan
• 2. CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN PTHH PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ỔN ĐỊNH CỦA KẾT CẤU HỆ THANH CỐ ĐỊNH TRÊN NỀN SAN HÔ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG BIỂN VÀ GIÓ
• 2.1. Giới thiệu bài toán và các giả thiết
• 2.2. Thiết lập các phương trình chủ đạo của bài toán
• 2.3. Các quan hệ đối với phần tử thanh mô hình hóa công trình
• 2.4. Trường chuyển vị
• 2.5. Trường biến dạng
• 2.6. Trường ứng suất
• 2.7. Phương trình mô tả dao động của phần tử trong hệ tọa độ cục bộ
• 2.8. Phương trình mô tả dao động của phần tử trong hệ tọa độ tổng thể
• 2.9. Các quan hệ đối với phần tử thuộc các lớp nền san hô
• 2.10. Các quan hệ ứng xử cơ bản của phần tử
• 2.11. Phương trình mô tả dao động của phần tử
• 2.12. Quan hệ đối với phần tử thuộc lớp tiếp xúc giữa thanh và nền san hô
• 2.13. Tải trọng sóng và gió tác dụng lên công trình
• 2.14. Tải trọng sóng tác dụng lên phần tử thanh
• 2.15. Tải trọng gió tác dụng lên công trình
• 2.16. Phương trình phi tuyến mô tả dao động của hệ
• 2.17. Tập hợp ma trận và véc tơ toàn hệ
• 2.18. Tập hợp ma trận độ cứng tổng thể
• 2.19. Tập hợp véc tơ tải trọng tổng thể
• 2.20. Phương trình mô tả dao động của hệ
• 2.21. Phân tích ổn định động của hệ
• 2.22. Tiêu chuẩn kiểm tra bền đối với các thanh cấu thành kết cấu
• 2.23. Tiêu chuẩn ổn định động của Budiansky - Roth
• 2.24. Phân tích ổn định của kết cấu công trình hệ thanh trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió
• 2.25. Phân tích phi tuyến động lực học của hệ theo thuật toán PTHH
• 2.26. Chương trình tính và kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính
• 2.27. Chương trình tính
• 2.28. Kiểm tra độ tin cậy của chương trình
• 2.29. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN ĐÁP ỨNG PHI TUYẾN ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ
• 3.1. Bài toán xuất phát
• 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến dao động và ổn định của hệ
• 3.3. Ảnh hưởng của lực quy đổi sàn công tác
• 3.4. Ảnh hưởng của gió
• 3.5. Ảnh hưởng của sóng
• 3.6. Ảnh hưởng của vật liệu kết cấu
• 3.7. Ảnh hưởng của nền
• 3.8. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH PHẢN ỨNG ĐỘNG VÀ ỔN ĐỊNH CỦA KẾT CẤU HỆ THANH MÔ PHỎNG CÔNG TRÌNH BIỂN
• 4.1. Mục đích thí nghiệm
• 4.2. Mô hình và các thiết bị thí nghiệm
• 4.3. Mô hình thí nghiệm
• 4.4. Thiết bị thí nghiệm
• 4.5. Các thiết bị gây tải
• 4.6. Thiết bị cảm biến gia tốc biến dạng
• 4.7. Phương pháp đo và ghi tín hiệu gia tốc, biến dạng của kết cấu
• 4.8. Cơ sở phân tích và xử lý số liệu thí nghiệm
• 4.9. Thí nghiệm và kết quả thí nghiệm
• 4.10. Tổ chức thí nghiệm tại bể tạo sóng 3D
• 4.11. Kết quả thí nghiệm
• 4.12. Trường hợp không có gia tải lên đỉnh giàn
• 4.13. Trường hợp có gia tải lên đỉnh giàn
• 4.14. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về công trình biển và nền san hô

Công trình biển là một phần quan trọng trong việc phát triển kinh tế và bảo vệ chủ quyền quốc gia. Các công trình này thường được xây dựng trên nền san hô, nơi có đặc điểm địa chất và môi trường phức tạp. Nền san hô không chỉ cung cấp sự ổn định cho các công trình mà còn ảnh hưởng đến động lực học của chúng. Việc hiểu rõ về tải trọng sóng biển và gió tác động lên công trình là rất cần thiết để đảm bảo tính bền vững và an toàn. Theo nghiên cứu, các công trình biển thường phải chịu tác động từ nhiều yếu tố như sóng, gió, và dòng chảy, điều này làm cho việc phân tích ổn định kết cấu trở nên phức tạp hơn. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, việc không tính đến tương tác giữa công trình và nền san hô có thể dẫn đến những sai sót nghiêm trọng trong thiết kế và thi công.

1.1. Đặc điểm của nền san hô

Nền san hô có cấu trúc đặc biệt, với khả năng chịu tải tốt nhưng cũng dễ bị tổn thương trước các tác động từ môi trường. Khảo sát địa chất là bước đầu tiên trong việc đánh giá khả năng chịu tải của nền san hô. Các nghiên cứu cho thấy rằng, nền san hô có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của môi trường biển, dẫn đến sự thay đổi trong động lực học của công trình. Việc phân tích ảnh hưởng của sóng và gió lên nền san hô là rất quan trọng để đảm bảo tính ổn định của công trình. Các mô hình mô phỏng hiện nay đã cho thấy sự cần thiết phải kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm để có được những kết quả chính xác hơn.

II. Phân tích động lực học và ổn định kết cấu

Phân tích động lực học của kết cấu công trình biển là một quá trình phức tạp, bao gồm việc thiết lập các phương trình mô tả dao động của hệ. Các phương trình này cần phải được xây dựng dựa trên các giả thiết về tải trọng tác dụng, đặc điểm vật liệu và cấu trúc của công trình. Việc áp dụng thuật toán PTHH giúp mô phỏng chính xác hơn các phản ứng của kết cấu dưới tác động của tải trọng sóng biển và gió. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc không tính đến tương tác giữa kết cấu và nền san hô có thể dẫn đến những sai sót trong việc đánh giá độ bền và ổn định của công trình. Do đó, việc phát triển các mô hình tính toán chính xác là rất cần thiết.

2.1. Các phương trình chủ đạo

Các phương trình chủ đạo trong phân tích động lực học bao gồm phương trình mô tả dao động của phần tử trong hệ tọa độ cục bộ và tổng thể. Việc thiết lập các phương trình này cần phải xem xét đến tải trọng sóng và gió tác động lên công trình. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc áp dụng các phương pháp phân tích phi tuyến có thể giúp cải thiện độ chính xác trong việc dự đoán phản ứng của kết cấu. Hơn nữa, việc sử dụng các tiêu chuẩn ổn định động như Budiansky - Roth cũng là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá độ bền của kết cấu.

III. Ảnh hưởng của các yếu tố đến ổn định của hệ

Nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố như lực quy đổi, gió, sóng và vật liệu kết cấu đến ổn định của hệ là rất quan trọng. Các yếu tố này không chỉ ảnh hưởng đến động lực học mà còn đến khả năng chịu tải của công trình. Việc khảo sát các yếu tố này giúp đưa ra những nhận xét và khuyến nghị cho việc thiết kế và thi công các công trình biển. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, sự thay đổi trong đặc tính vật liệu có thể dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong phản ứng của kết cấu. Do đó, việc lựa chọn vật liệu phù hợp là rất cần thiết để đảm bảo tính ổn định của công trình.

3.1. Khảo sát ảnh hưởng của sóng và gió

Sóng và gió là hai yếu tố chính tác động đến công trình biển. Việc khảo sát ảnh hưởng của chúng đến động lực học và ổn định kết cấu là rất cần thiết. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, sự thay đổi trong cường độ sóng và gió có thể dẫn đến sự thay đổi trong phản ứng của kết cấu. Việc áp dụng các mô hình mô phỏng hiện đại giúp đánh giá chính xác hơn các tác động này. Hơn nữa, việc kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm trong nghiên cứu sẽ giúp đưa ra những giải pháp thiết kế hiệu quả hơn cho các công trình biển.

IV. Nghiên cứu thực nghiệm và kết quả

Nghiên cứu thực nghiệm là một phần quan trọng trong việc xác định phản ứng động và ổn định của kết cấu hệ thanh mô phỏng công trình biển. Việc thực hiện thí nghiệm trong bể tạo sóng 3D giúp kiểm tra độ tin cậy của các mô hình tính toán. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự tương đồng giữa các giá trị thực nghiệm và giá trị tính toán, điều này khẳng định tính chính xác của các phương pháp phân tích đã được áp dụng. Hơn nữa, việc nghiên cứu thực nghiệm cũng giúp phát hiện ra những vấn đề tiềm ẩn trong thiết kế và thi công, từ đó đưa ra các giải pháp khắc phục kịp thời.

4.1. Kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng, các công trình biển chịu tác động của sóng và gió có thể gặp phải những vấn đề về ổn định nếu không được thiết kế đúng cách. Các số liệu thu thập được từ thí nghiệm đã chỉ ra rằng, sự thay đổi trong tải trọng có thể dẫn đến sự thay đổi trong phản ứng của kết cấu. Việc phân tích các kết quả này giúp đưa ra những khuyến nghị cho việc nâng cao khả năng ổn định cho các công trình biển trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Công trình biển cố định hệ thanh dạng móng cọc đóng vai trò chiến lược đối với an ninh quốc phòng và phát triển kinh tế biển của Việt Nam, đặc biệt là hệ thống công trình nhà giàn DKI được xây dựng trên các bãi cạn san hô thuộc thềm lục địa và hai quần đảo Hoàng Sa, Trường Sa. Do đặc thù môi trường biển nhiệt đới khắc nghiệt, các công trình này thường xuyên chịu tác động đồng thời của tải trọng sóng biển, gió, dòng chảy và tải trọng khai thác từ sàn công tác. Thực tế khai thác cho thấy sự xuống cấp của công trình theo thời gian cùng với tác động môi trường cực đoan đã dẫn đến nguy cơ suy giảm khả năng chịu lực, thậm chí gây ra các sự cố hư hỏng chân cọc hoặc đổ sụp công trình do mất ổn định (như sự cố tại nhà giàn DKI/6), gây thiệt hại nghiêm trọng về kinh tế, an ninh quốc phòng và con người.

Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là: các nghiên cứu trước đây thường tiếp cận bài toán theo mô hình phẳng, hoặc mô hình không gian nhưng thay thế nền bằng ngàm cứng hoặc hệ lò xo đàn hồi tuyến tính đơn giản, chưa phản ánh đúng bản chất làm việc đồng thời giữa kết cấu công trình biển và nền san hô có tính chất phân lớp, liên kết một chiều (chỉ chịu nén, không chịu kéo và có trượt ma sát). Đồng thời, bài toán ổn định động của hệ thanh không gian dưới tác động đồng thời của sóng phi tuyến và gió biến thiên theo thời gian còn rất ít được nghiên cứu một cách hệ thống.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án được xác định gồm 4 nội dung chính:

1. Đề xuất mô hình không gian phân tích động lực học và ổn định của kết cấu công trình biển hệ thanh cố định trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng biển và gió, có xét đến sự tương tác giữa kết cấu và nền san hô.
2. Xây dựng thuật toán và chương trình tính toán phân tích động lực học và ổn định của hệ theo mô hình bài toán không gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH), kết hợp tiêu chuẩn ổn định động Budiansky - Roth, có xét đến điều kiện bền và tính bất biến hình của kết cấu.
3. Tiến hành khảo sát số, phân tích định lượng ảnh hưởng của các yếu tố tải trọng (lực sàn công tác, sóng, gió), vật liệu kết cấu và đặc trưng cơ lý của các lớp nền san hô đến đáp ứng động lực học và khả năng ổn định của hệ; từ đó đưa ra các khuyến nghị kỹ thuật nhằm nâng cao độ ổn định cho công trình nhà giàn DKI.
4. Thực hiện nghiên cứu thực nghiệm xác định dao động và ổn định của mô hình kết cấu hệ thanh không gian trong bể tạo sóng 3 chiều (3D) nhằm đối chứng, kiểm chứng thuật toán và đánh giá độ tin cậy của chương trình tính toán đã xây dựng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu công trình biển cố định hệ thanh không gian tương tác với nền san hô (mô phỏng kết cấu công trình nhà giàn DKI) chịu tác dụng của tải trọng sóng biển và gió.
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Về kết cấu: Mô hình công trình biển cố định hệ thanh không gian mô phỏng theo kết cấu nhà giàn DKI.
  • Về nền: Nền san hô phân lớp tại khu vực quần đảo Trường Sa, sử dụng số liệu địa chất ngập nước ven đảo Song Tử Tây thu thập từ đề tài cấp Nhà nước KC.26/11-15.
  • Về tải trọng: Tải trọng sóng biển được xác định theo lý thuyết sóng tuyến tính Airy và lý thuyết sóng phi tuyến Stoke kết hợp công thức Morison; tải trọng gió biến thiên theo thời gian; tải trọng thẳng đứng $P$ quy đổi từ khối lượng sàn công tác.

Quy mô văn bản: Bản luận án có dung lượng 107 trang thuyết minh chính, bao gồm 13 bảng số liệu, 60 hình vẽ và đồ thị, 89 tài liệu tham khảo và 31 trang phụ lục kèm theo.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan lịch sử nghiên cứu công trình biển cho thấy dạng kết cấu Jacket bằng thép được phát triển từ năm 1947 tại vùng biển Louisiana (Mỹ) ở độ sâu 6 m, sau đó tăng dần lên 15 m (1949), 30 m (1950), 60 m (1960) và vượt mốc 300 m vào năm 1970. Kỷ lục công trình biển cố định nước sâu thuộc về giàn Bullwinkle tại vịnh Mexico hoàn thành năm 1991 ở độ sâu 412 m, cùng các công trình giàn khoan quy mô lớn như Hibernia (Canada), West Alpha (Nga). Tại Việt Nam, nghiên cứu công trình biển được triển khai từ những năm 1980 với các công trình tiêu biểu như giàn khoan móng cọc, hệ thống nhà giàn DKI và giàn khoan Hải Thạch hạ đặt năm 2013 ở độ sâu 134 m nước.

Trên thế giới, các nghiên cứu về động lực học công trình biển hệ thanh đã được nhiều tác giả thực hiện:

• Kenji Kawano [61], Po-Yen Chang, Hsien Hua Lee, Guo-Wei Tseng và Pei-Yin Chung [68] khảo sát đáp ứng phi tuyến động lực học của hệ thanh phẳng chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên biểu diễn qua hàm mật độ phổ với liên kết ngàm cứng ở chân cột.
• Jamaloddin Noorzaei và cộng sự [54] áp dụng lý thuyết sóng Airy, sóng Stoke bậc 5 và công thức Morison tính toán kết cấu hình trụ tròn ngàm cứng đáy biển.
• Wang Teng, Huajun Li, Kuithua Wang [86] dùng phương pháp giải tích và tuyến tính hóa thống kê công thức Morison, thay thế nền bằng hệ lò xo Kelvin.
• Choong-Yul Son, Kang-Su Lee, Jung-Tak Lee, Keon-Hoon Kim [44] kết hợp phương pháp giải tích cho bài toán phẳng và PTHH phân tích mode cho bài toán không gian ngàm cứng chịu tải trọng sóng, gió và sàn công tác.
• Harish. N, Sukomal Mandal, Shanthala B [51] khảo sát hệ thanh không gian chịu sóng ngẫu nhiên phổ P-M và xung gió tức thời.
• Syed Khaleeq Ahmad [74], Katta Venkataramana, Kenji Kawano và Susumu Yoshihara [60] nghiên cứu điều khiển dao động cho giàn khoan bằng thiết bị tiêu tán năng lượng TMD chịu sóng và động đất.
• Abdel Raheem, Elsayed M. Abdel Aal, Aly G. Abdel Shafy và Fayez K. Abdel Seed [75] sử dụng sóng Stoke bậc 5 và phương pháp PTHH 3D khảo sát phản ứng động của kết cấu hệ thanh với gió có vận tốc không đổi và nền không tương tác.
• Konstantinos Chatziioannou, Vanessa Katsardi, Apostolos Koukouselis và Euripidis Mistakidis [62] phân tích kết cấu 3 cột chính chịu sóng Stoke bậc 5 với mô hình quan hệ lực - chuyển vị của nền.
• Abdel Raheem và cộng sự [76], Sushma Pulikanti và Pradeep Kumar Ramancharla [79] sử dụng phần tử Gap liên kết một chiều và phần mềm SAP2000 mô phỏng tương tác nền dưới tải trọng động đất.
• Về bài toán ổn định: C. Walker [47] chỉ ra hạn chế của các quan điểm truyền thống khi xem xét ổn định công trình biển hệ thanh như một thanh chịu nén đơn lẻ hoặc coi hệ mất ổn định khi một thanh mất ổn định; Nam-Il Kim và Dong-Ho Choi [66] khảo sát ổn định tĩnh khung thép phẳng.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu liên quan gồm có:

• Nguyễn Đông Anh và cộng sự [2] khảo sát tương tác cọc đơn - nền san hô chịu tải trọng nổ qua hệ lò xo thay thế.
• Hoàng Xuân Lượng, Nguyễn Thái Chung và nhóm nghiên cứu [5], [6], [7], [12], [14], [18], [19], [20], [21] đã ứng dụng phần tử tiếp xúc 2D, 3D khảo sát tương tác giữa kết cấu công trình ngầm, cọc đơn, khung phẳng, tấm, vỏ với nền san hô chịu sóng xung kích và tải trọng điều hòa; công bố các chỉ tiêu cơ lý của nền san hô ngập nước tại đảo Song Tử Tây (đề tài KC.26/11-15).
• Đào Như Mai [22] nghiên cứu sóng Airy, Stoke bậc 5, Tromans và sóng phủ tác dụng lên giàn khoan trên nền lò xo cản 3 phương.
• Lê Anh Tuấn [26] dùng phương pháp mô phỏng Monte Carlo phân tích hệ thanh không gian ngàm cứng chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên dừng.
• Nguyễn Tất Ngân [23], Lê Tân [25] khảo sát đường ống và công trình ngầm tương tác với nền san hô bằng PTHH và phần tử tiếp xúc 2D.
• Nguyễn Văn Chình [8] nghiên cứu động lực học công trình biển cố định chịu sóng và gió theo mô hình phẳng với phần tử tiếp xúc 2D.
• Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đông Anh, Phạm Ngọc Nam, Hoàng Xuân Lượng, Đỗ Sơn [31] kết hợp lý thuyết và thực nghiệm xác định nguyên nhân dao động của nhà giàn DKI.
• Lê Hoàng Anh [1] phân tích đáp ứng động lực học phi tuyến của kết cấu hệ thanh không gian làm việc đồng thời với nền san hô qua phần tử tiếp xúc 3D.

Vị trí của luận án: Kế thừa các kết quả nghiên cứu về chỉ tiêu cơ lý nền san hô và phần tử tiếp xúc 3D, luận án giải quyết trọn vẹn bài toán phân tích phi tuyến động lực học kết hợp đánh giá ổn định động theo tiêu chuẩn Budiansky - Roth cho hệ thanh không gian tương tác đồng thời với nền san hô phân lớp dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng sóng Stoke và gió phụ thuộc thời gian, đồng thời tiến hành thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình bể tạo sóng 3D.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Đặc trưng cơ lý của vật liệu san hô và nền san hô

Vật liệu san hô có cấu trúc rỗng, tính giòn cao, quan hệ ứng suất - biến dạng tuân theo quy luật đàn hồi tuyến tính. Nền san hô có cấu trúc phân tầng theo chiều sâu (mỗi nhịp gồm 2 đến 4 lớp) do quá trình trầm tích biển thoái và biển tiến. Liên kết giữa bề mặt cọc công trình và nền san hô là liên kết một chiều: nền chỉ chịu nén, không chịu kéo và chịu lực cắt thông qua ma sát tiếp xúc.

Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của vật liệu nền san hô ở hai trạng thái:

Chỉ tiêu cơ lý	Trạng thái khô	Trạng thái ngậm nước
Mô đun đàn hồi $E$ ($\text{kG/cm}^2$)	$0,19 \cdot 10^4 - 3,79 \cdot 10^4$	$0,11 \cdot 10^4 - 2,84 \cdot 10^4$
Hệ số Poisson $\nu$	$0,14 - 0,47$	$0,21 - 0,43$
Khối lượng riêng $\rho$ ($\text{kg/m}^3$)	$2,3 \cdot 10^3 - 2,8 \cdot 10^3$	$2,8 \cdot 10^3 - 3,2 \cdot 10^3$
Hệ số ma sát với bề mặt bê tông	$0,39 - 0,45$	$0,39 - 0,45$
Hệ số ma sát với bề mặt thép	$0,29 - 0,36$	$0,29 - 0,36$

Lý thuyết tải trọng tác dụng

1. Tải trọng sóng biển: Sử dụng lý thuyết sóng tuyến tính Airy và lý thuyết sóng phi tuyến Stoke kết hợp công thức Morison để xác định lực sóng tác dụng lên phần tử thanh hình trụ có đường kính $D$. Lực sóng phân bố $f(z,t)$ gồm thành phần lực quán tính phụ thuộc gia tốc chất lỏng ($C_M, C_I$) và thành phần lực cản vận tốc ($C_D$).
2. Tải trọng gió: Áp lực gió biến thiên theo thời gian tác động lên diện tích chắn gió $A$ của công trình được xác định theo công thức: $$p_{\text{win}}(t) = \frac{1}{2} \rho_{\text{air}} C_p A [U_{\text{win}}(t)]^2 \cos^2 \theta$$ trong đó $\rho_{\text{air}}$ là khối lượng riêng không khí, $C_p$ là hệ số áp lực gió, $U_{\text{win}}(t)$ là hàm vận tốc gió theo thời gian, $\theta$ là góc hợp bởi véctơ vận tốc gió và pháp tuyến mặt chắn gió.

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH)

• Phần tử thanh 3D: Rời rạc hóa kết cấu hệ thanh bằng phần tử dầm không gian 2 nút, mỗi nút có 6 bậc tự do ${u_i, v_i, w_i, \theta_{xi}, \theta_{yi}, \theta_{zi}}$ ($i=1, 2$). Trường chuyển vị tại một điểm: $$u(x,y,z,t) = u_0(x,t) + z \theta_y(x,t) - y \theta_z(x,t)$$ $$v(x,y,z,t) = v_0(x,t) - z \theta_x(x,t)$$ $$w(x,y,z,t) = w_0(x,t) + y \theta_x(x,t)$$ Trường biến dạng phi tuyến dạng Green-Lagrange được chia thành phần tuyến tính ${\epsilon_L}$ và phần phi tuyến ${\epsilon_{NL}}$, có xét đến biến dạng trượt cắt với hệ số hiệu chỉnh $\kappa$. Quan hệ ứng suất - biến dạng: ${\sigma} = [D]{\epsilon} = [D]({\epsilon_L} + {\epsilon_{NL}})$.
• Thiết lập phương trình dao động phần tử trên cơ sở nguyên lý công ảo: $$\delta W_v^e + \delta W_{\text{in}}^e + \delta W_E^e = 0$$ dẫn đến ma trận độ cứng phần tử thanh gồm phần tuyến tính $[K_L^b]$ và các ma trận phi tuyến $[K_{NL1}^b], [K_{NL2}^b], [K_{NL3}^b]$ phụ thuộc véctơ chuyển vị nút ${q_e^b}$, cùng ma trận khối lượng phần tử $[M_e^b]$.
• Phần tử nền san hô: Sử dụng phần tử khối lục diện 8 điểm nút (3 bậc tự do tịnh tiến tại mỗi nút) mô hình hóa các lớp nền san hô và khối bê tông gia tải.
• Phần tử tiếp xúc 3D (PTTX): Mô hình hóa lớp phân giới giữa cọc và nền san hô với độ cứng pháp tuyến $k_{nz}$ (chỉ chịu nén, khử liên kết khi chịu kéo) và độ cứng tiếp tuyến $k_{sx}, k_{sy}$, điều kiện trượt theo giới hạn ứng suất ma sát $\tau_{\text{gh}}$.
• Tập hợp hệ phương trình động lực học phi tuyến toàn hệ: $$[M]{\ddot{q}} + [C]{\dot{q}} + [K({q})]{q} = {f(t)}$$ trong đó $[C]$ là ma trận cản Rayleigh ($[C] = \alpha_r [M] + \beta_r [K]$). Hệ phương trình được tích phân từng bước theo thời gian bằng phương pháp Newmark.

Tiêu chuẩn ổn định động Budiansky - Roth

Mất ổn định động của hệ được xác định theo tiêu chuẩn Budiansky - Roth: Khi tăng dần mức tải trọng kích động, đường đáp ứng chuyển vị cực đại theo thời gian xuất hiện bước nhảy vọt (độ dốc thay đổi đột ngột) tại một giá trị tải trọng tới hạn $P_{\text{cr}}$ ($P/P_{\text{cr}} = 1,0$). Trạng thái này được kết hợp đồng thời với điều kiện kiểm tra độ bền của các thanh thành phần và tính bất biến hình của kết cấu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa các đặc điểm địa chất công trình của nền san hô, tổng kết các chỉ tiêu cơ lý ngậm nước và khô làm cơ sở dữ liệu đầu vào. Tác giả phân tích cấu tạo, lịch sử phát triển công trình biển cố định bằng thép và nhà giàn DKI tại Việt Nam. Chương này phân tích chi tiết cơ chế tác động của tải trọng sóng biển (Airy, Stoke, công thức Morison) và tải trọng gió biến thiên theo thời gian. Trên cơ sở tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế, tác giả xác định các nội dung cần tiếp tục giải quyết: xây dựng mô hình bài toán không gian 3D tương tác đồng thời kết cấu - nền san hô, giải bài toán ổn định động phi tuyến chịu sóng và gió, và thực nghiệm kiểm chứng mô hình trong bể tạo sóng 3D.

Chương 2: Thuật toán PTHH phân tích phi tuyến động lực học và ổn định của kết cấu hệ thanh cố định trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng biển và gió

Chương 2 trình bày chi tiết thuật toán PTHH cho hệ tương tác 3D:

• Thiết lập trường chuyển vị, trường biến dạng phi tuyến và trường ứng suất cho phần tử thanh 3D, phần tử khối 3D của nền san hô và phần tử tiếp xúc 3D (PTTX).
• Rời rạc hóa công ảo nội lực, công ảo lực quán tính và công ảo ngoại lực do sóng và gió gây ra.
• Xây dựng thuật toán giải phi tuyến từng bước thời gian bằng phương pháp tích phân Newmark kết hợp vòng lặp kiểm tra trạng thái tiếp xúc của PTTX.
• Xây dựng tiêu chuẩn kiểm tra mất ổn định động theo Budiansky - Roth kết hợp kiểm tra điều kiện bền thanh.
• Lập trình thành công gói phần mềm tính toán chuyên dụng B3DFC_2019 (Buckling_3D_Frame_Coral_2019).
• Kiểm tra độ tin cậy của chương trình B3DFC_2019 bằng việc so sánh 4 tần số dao động riêng đầu tiên và các giá trị đáp ứng cực đại với các bài toán kiểm chuẩn đã công bố của Kenji Kawano [61] và các tài liệu chuẩn mực khác, cho thấy sai số nhỏ và độ tin cậy cao.

Chương 3: Ảnh hưởng của một số yếu tố đến đáp ứng phi tuyến động lực học và ổn định của hệ

Chương 3 tiến hành khảo sát số trên mô hình kết cấu hệ thanh không gian mô phỏng nhà giàn DKI đặt trên nền san hô 3 lớp, chịu tải trọng gió biến thiên với vận tốc cực đại $U_{\max} = 46,35\text{ m/s}$, sóng biển và tải trọng sàn công tác $P$:

• Khảo sát các cấu hình kết cấu: Hệ có cọc phụ và khối bê tông gia tải (CCPCGT), hệ có cọc phụ không có gia tải (CCPKGT), hệ không cọc phụ không gia tải (KCPKGT); so sánh giữa mô hình tương tác (TT) và không tương tác (KTT).
• Ảnh hưởng của tải trọng sàn công tác: Khi tải trọng $P$ tăng, chuyển vị ngang $U_x$, gia tốc đỉnh giàn và mômen uốn chân cọc tăng phi tuyến rõ rệt.
• Ảnh hưởng của gió và sóng: Vận tốc gió và chiều cao sóng $H_w$ tác động trực tiếp đến biên độ dao động đỉnh giàn và nội lực chân cọc chính, cọc phụ. Luận án xác định được các ngưỡng chiều cao sóng tới hạn và vận tốc gió tới hạn gây mất ổn định động cho hệ.
• Ảnh hưởng của vật liệu kết cấu và nền san hô: Khảo sát sự thay đổi của mô đun đàn hồi vật liệu thanh $E$ và mô đun đàn hồi nền lớp 3 ($E_f$). Kết quả cho thấy khi độ cứng của nền san hô lớp 3 giảm (trạng thái ngậm nước mềm hóa), chuyển vị đỉnh giàn tăng mạnh và tải trọng tới hạn mất ổn định động của công trình giảm đáng kể.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm xác định phản ứng động và ổn định của kết cấu hệ thanh mô phỏng công trình biển

Chương 4 trình bày quá trình nghiên cứu thực nghiệm nhằm kiểm chứng mô hình lý thuyết:

• Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thanh không gian bằng thép mô phỏng kết cấu nhà giàn DKI theo tỷ lệ hình học phù hợp, đặt trong bể tạo sóng 3D.
• Hệ thống thiết bị thí nghiệm gồm: Hệ thống tạo sóng 3D đa hướng; thiết bị thu thập và phân tích dữ liệu động chuyên dụng LMS; các cảm biến gia tốc đa hướng gắn tại đỉnh và thân giàn; các đầu đo biến dạng (strain gauge) gắn dọc trục các thanh chịu lực chính; khối gia tải đỉnh giàn.
• Kịch bản thí nghiệm: Thực hiện đo đạc phản ứng động trong hai trường hợp: (1) Không có gia tải lên đỉnh giàn và (2) Có gia tải lên đỉnh giàn, dưới các chế độ sóng khác nhau trong bể tạo sóng.
• Kết quả thực nghiệm: Thu thập được các biểu đồ lịch sử gia tốc, biến dạng, chuyển vị ngang đỉnh giàn, phổ đáp ứng biên độ - tần số và xác định các tần số dao động riêng đầu tiên của hệ.
• So sánh đối chứng: Kết quả đo thực nghiệm tại bể tạo sóng 3D có sự phù hợp tốt với kết quả tính toán số từ chương trình B3DFC_2019, khẳng định tính đúng đắn của mô hình lý thuyết và độ tin cậy của thuật toán PTHH đã xây dựng.

Kết quả và những đóng góp mới

Các kết quả và đóng góp mới của luận án bao gồm:

1. Đề xuất thành công mô hình bài toán không gian 3D phân tích động lực học phi tuyến và ổn định động của kết cấu công trình biển hệ thanh làm việc đồng thời với nền san hô phân lớp, có xét đến tính chất phi tuyến hình học của thanh, tính chất liên kết một chiều và ma sát trượt của nền san hô thông qua phần tử tiếp xúc 3D.
2. Thiết lập thuật toán tích phân thời gian Newmark kết hợp tiêu chuẩn ổn định động Budiansky - Roth, kiểm tra điều kiện bền và tính bất biến hình cho hệ kết cấu công trình biển chịu tác dụng đồng thời của tải trọng sóng phi tuyến Stoke và gió biến thiên theo thời gian.
3. Xây dựng và hoàn thiện gói chương trình tính toán B3DFC_2019 (Buckling_3D_Frame_Coral_2019) chuyên dụng cho bài toán phân tích động lực học và ổn định của công trình biển hệ thanh trên nền san hô.
4. Cung cấp bộ số liệu khảo sát số toàn diện, làm rõ quy luật biến thiên của chuyển vị, gia tốc đỉnh giàn, mômen uốn chân cọc và xác định các ngưỡng tải trọng tới hạn (sóng tới hạn, gió tới hạn) gây mất ổn định động công trình.
5. Thực hiện thành công nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình hệ thanh không gian trong bể tạo sóng 3D với hệ thống đo động LMS, cung cấp dữ liệu thực nghiệm kiểm chứng cho thuật toán và phần mềm tính toán.
6. Đưa ra các khuyến cáo kỹ thuật: Việc bố trí cọc phụ kết hợp khối bê tông gia tải chân giàn (mô hình CCPCGT) làm tăng đáng kể độ cứng tổng thể, giảm nội lực cục bộ tại chân cọc chính và nâng cao rõ rệt tải trọng tới hạn mất ổn định động của công trình nhà giàn DKI trên nền san hô.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

• Chưa xét đến sự tương tác qua lại phức tạp giữa trường sóng và trường gió (hiện tượng xoáy cục bộ và tương tác sóng - gió tương hỗ).
• Vật liệu thanh và các lớp nền san hô vẫn giả thiết làm việc trong miền đàn hồi tuyến tính, chưa xét đến tính chất dẻo hoặc biến dạng từ biến của nền san hô dưới tải trọng chu kỳ dài hạn.
• Số liệu địa chất san hô mới chỉ tập trung tại một số khu vực đại diện (như đảo Song Tử Tây), trong khi chỉ tiêu cơ lý san hô thực tế có sự phân tán lớn giữa các vị trí địa lý.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả kiến nghị:

• Mở rộng bài toán phân tích động lực học và ổn định của công trình biển hệ thanh trên nền san hô dưới tác động của các tổ hợp tải trọng phức tạp khác như động đất, dòng chảy tầng đáy và va chạm tàu thuyền.
• Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm phục vụ công tác chẩn đoán kỹ thuật, đánh giá mức độ tổn thương và độ tin cậy làm việc của các công trình biển hệ thanh đang vận hành sau nhiều năm khai thác tại vùng biển Việt Nam.
• Nghiên cứu các giải pháp tối ưu hóa kết cấu và công nghệ gia cường nền móng công trình biển đảo.

Giá trị tham khảo

Bản luận án có giá trị tham khảo đối với:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên chuyên ngành Cơ kỹ thuật, Kỹ thuật Công trình biển, Xây dựng Công trình thủy và Công trình ven biển/ngoài khơi: Tham khảo khung lý thuyết thiết lập phần tử tiếp xúc 3D, thuật giải phương trình vi phân phi tuyến Newmark và phương pháp áp dụng tiêu chuẩn ổn định động Budiansky - Roth.
• Các kỹ sư thiết kế và cơ quan quản lý công trình quốc phòng, dầu khí: Ứng dụng các quy luật khảo sát số, bảng chỉ tiêu cơ lý nền san hô ngậm nước và các khuyến nghị về giải pháp bố trí cọc phụ, gia tải chân giàn nhằm nâng cao độ an toàn và ổn định cho các công trình nhà giàn DKI hoặc công trình biển dạng Jacket.
• Các phòng thí nghiệm công trình thủy lực, động lực học công trình: Tham khảo quy trình thiết kế mô hình giàn không gian, kỹ thuật bố trí cảm biến gia tốc, strain gauge và phương pháp xử lý tín hiệu LMS trong bể tạo sóng 3D.

Câu hỏi thường gặp

1. Phần tử tiếp xúc 3D (PTTX) trong luận án được sử dụng để mô tả hiện tượng vật lý nào giữa kết cấu và nền san hô?
   Phần tử tiếp xúc 3D được sử dụng để mô hình hóa lớp phân giới giữa cọc công trình và nền san hô, phản ánh tính chất liên kết một chiều của nền san hô: chỉ chịu nén (không chịu kéo, tự động khử liên kết khi cọc bị nhổ/tách khỏi nền) và truyền lực cắt qua ma sát tiếp xúc có xét đến ứng suất trượt giới hạn $\tau_{\text{gh}}$.

2. Tiêu chuẩn Budiansky - Roth được áp dụng như thế nào để xác định tải trọng mất ổn định động trong luận án?
   Tiêu chuẩn Budiansky - Roth xác định trạng thái mất ổn định động bằng cách theo dõi đáp ứng chuyển vị cực đại của hệ theo các mức tải trọng kích động tăng dần. Khi mức tải trọng đạt đến giá trị tới hạn ($P/P_{\text{cr}} = 1,0$), đường quan hệ tải trọng - chuyển vị xuất hiện bước nhảy vọt (độ dốc thay đổi đột ngột), đánh dấu sự mất ổn định động của kết cấu.

3. Sự khác biệt về chỉ tiêu cơ lý của nền san hô giữa trạng thái khô và ngậm nước được luận án ghi nhận ra sao?
   Ở trạng thái ngậm nước, đá san hô bị mềm hóa dẫn đến khả năng chịu lực giảm rõ rệt so với trạng thái khô: Mô đun đàn hồi $E$ giảm từ khoảng $(0,19 - 3,79) \cdot 10^4\text{ kG/cm}^2$ (khô) xuống $(0,11 - 2,84) \cdot 10^4\text{ kG/cm}^2$ (ngậm nước); khối lượng riêng $\rho$ tăng từ $(2,3 - 2,8) \cdot 10^3\text{ kg/m}^3$ lên $(2,8 - 3,2) \cdot 10^3\text{ kg/m}^3$.

4. Chương trình tính toán do tác giả xây dựng trong luận án có tên là gì và được kiểm chứng bằng những phương pháp nào?
   Chương trình tính toán có tên là B3DFC_2019 (Buckling_3D_Frame_Coral_2019). Chương trình được kiểm chứng độ tin cậy thông qua hai bước: (1) So sánh 4 tần số dao động riêng đầu tiên và đáp ứng cực đại với bài toán kiểm chuẩn đã công bố của Kenji Kawano; (2) So sánh trực tiếp với kết quả đo đạc thực nghiệm trên mô hình hệ thanh không gian trong bể tạo sóng 3D bằng thiết bị LMS.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Thanh Hưng đã giải quyết bài toán phân tích phi tuyến động lực học và ổn định động của kết cấu công trình biển hệ thanh cố định trên nền san hô chịu tác dụng đồng thời của tải trọng sóng và gió. Bằng việc phát triển mô hình không gian 3D kết hợp phần tử tiếp xúc mô tả liên kết một chiều và tiêu chuẩn ổn định Budiansky - Roth, tác giả đã xây dựng thành công phần mềm tính toán B3DFC_2019 và kiểm chứng qua thực nghiệm bể tạo sóng 3D. Các kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu kỹ thuật giá trị, phục vụ trực tiếp cho công tác thiết kế, kiểm định an toàn và nâng cấp hệ thống nhà giàn DKI cùng các công trình biển đảo của Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Sơ lược về san hô và nền san hô Nghiên cứu san hô để phục vụ cho thiết kế và xây dựng công trình là một lĩnh vực khoa học phức tạp, sự phức tạp ở đây là do điều kiện để nghiên cứu khó khăn, chỉ tiêu cơ lý của vật liệu san hô có sự phân tán lớn ở mỗi vị trí địa lý, trên một vùng lấy mẫu, thậm chí tại cùng một đảo. Với những quan niệm khác nhau về mô hình, phương pháp tính và sự phức tạp trong nghiên cứu san hô đã làm ảnh hưởng lớn đến hiệu quả thiết kế, thi công, sử dụng các công trình biển đảo. Trong những năm qua, các nghiên cứu về san hô, đặc biệt là các nghiên cứu trong nước đã có được bức tranh tổng thể về chỉ tiêu cơ lý của san hô và nền san hô.

Kết quả nghiên cứu tuy chưa đạt được như kỳ vọng, song cũng đã thu được nhiều thành tự quan trọng, đặc biệt về các chỉ tiêu kỹ thuật của nền san hô phục vụ số liệu đầu vào cho tính toán, thiết kế, thi công các công trình biển đảo. Các kết quả nghiên cứu về đặc điểm địa chất công trình và chỉ tiêu kỹ thuật của nền san hô theo cơ học công trình được công bố trong [5], [13], [14], [16],[17], [30] cho thấy: - Vật liệu san hô có cấu trúc phức tạp, có độ rỗng khá cao, đặc trưng điển hình là tính giòn, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng có thể xem như tuyến tính, liên kết giữa bề mặt kết cấu và nền san hô là liên kết một chiều, nghĩa là nền san hô chỉ chịu nén, không chịu kéo. - Tính chất cơ lý của san hô phụ thuộc vào cấu trúc thạch học, quá trình hình thành trầm tích do biển tiến, biển thoái trong sự vận động trái đất. Theo chiều sâu, nền san hô có cấu trúc phân lớp, có tính phân nhịp, luan an 6 mỗi nhịp có 2 đến 4 lớp phù hợp với qui luật về mối quan hệ giữa sự thành tạo cấu trúc nhịp trong đá san hô với sự thăng trầm của mực nước biển.

- Tính chất cơ lý của san hô phụ thuộc khá nhiều vào trạng thái khô hay ngậm nước (nền san tại các bãi cạn ven đảo), cụ thể: Đối với trạng thái khô, mô đun đàn hồi của các lớp vật liệu san hô biến thiên từ 0,19104kG/cm2 đến 3,79104 kG/cm2, hệ số Poisson biến thiên từ 0,14 đến 0,47, khối lượng riêng biến thiên từ 2,3103 kg/m3 đến 2,8103 kg/m3; Đối với trạng thái ngậm nước, đá san hô đã bị mềm hoá, nên khả năng chịu lực kém hơn. Mô đun đàn hồi của các lớp vật liệu san hô biến thiên từ 0,11104 kG/cm2 đến 2,84104 kG/cm2, hệ số Poisson biến thiên từ 0,21 đến 0,43, khối lượng riêng biến thiên từ 2,8103 kg/m3 đến 3,2103 kg/m3; Hệ số ma sát giữa bề mặt vật liệu san hô và bề mặt bê tông biến thiên từ 0,39 đến 0,45 và giữa bề mặt san hô và bề mặt thép biến thiên từ 0,29 đến 0,36. Công trình biển và tải trọng phổ biến tác dụng lên công trình biển 1. Tổng quan về công trình biển Công trình biển được xây dựng và khai thác sử dụng trong các điều kiện tác động của môi trường biển.

- Công trình biển được phân thành công trình biển ven bờ (kè bờ biển, đê bao, cảng biển, .), công trình biển ngoài khơi (giàn khoan dầu khí, nhà giàn DKI) và công trình biển ngoài hải đảo (kè chống xói lở đảo, bến cập tàu, cập xuồng, âu tàu, các công trình trên đảo,. - Công trình biển ngoài khơi bao gồm công trình biển di động (giàn khoan di động, tàu khoan, .) và công trình biển cố định.