CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Luận văn này giới thiệu về những kết cấu nổi siêu lớn (VLFS) được xây dựng ở vùng nước ven bờ biển của các thành phố phát triển. Mô hình VLFS nêu bật những ưu điểm (trong một số điều kiện nhất định) so với việc mở rộng đất truyền thống để tạo không gian từ biển.1 Giới thiệu Trong thế kỷ XX, thế giới đã gặp phải một vấn đề mới: thiếu đất đai, vấn đề này đang trở nên nghiêm trọng với sự tăng trưởng nhanh chóng của dân số Trái đất và sự phát triển tương ứng của công nghiệp và các khu đô thị. Các quốc gia như Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Hà Lan và Bỉ có mật độ dân số rất cao.
Nhiều nước khác ở châu Âu và châu Á đang tiến gần đến mật độ tương tự. Nhiều quốc đảo phát triển và các quốc gia có bờ biển dài cần có đất đã giành một khoảng thời gian khai thác đất từ biển nhằm tạo không gian mới. Hà Lan, Nhật Bản, Singapore và các nước khác đã mở rộng diện tích của họ một cách đáng kể thông qua các công trình cải tạo đất. Tuy nhiên, các công trình này có những hạn chế như tác động tiêu cực đến môi trường trên bờ biển của đất nước, các nước láng giềng và hệ sinh thái biển, v.
Việc xây dựng các VLFS đã được đề xuất như một giải pháp thay thế cho phương pháp cải tạo đất truyền thống. VLFS có nhiều ưu điểm so với các kết cấu khác như: ứng dụng tốt cho vùng nước sâu, thân thiện và ít ảnh hưởng đến môi trường, thời gian thi công nhanh, dễ dàng mở rộng hoặc tháo dỡ, tận dụng được lực đẩy nổi của biển, không chịu ảnh hưởng của hiện tượng ấm lên toàn cầu. Các VLFS này có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, chẳng hạn như: sân bay nổi, cầu nổi, kho lưu trữ nổi, căn cứ khẩn cấp nổi, v.6) Tổng quan 2 Hình 1. Bãi đáp trực thăng nổi,Vancouver, Canada [1] Hình 1.
Bến tàu nổi Valdez, Alaska [2] Hình 1. Hệ thống điện mặt trời, Japan [3] Tổng quan 3 Hình 1. Đường băng sân bay nổi, Japan [4] Hình 1. Căn cứ lưu trữ dầu nổi Shirashima, Japan [5] Hình 1.
Căn cứ lưu trữ dầu nổi Kamigoto, Nagasaki, Japan [6] Tổng quan 4 Kết cấu tấm nổi có kích thước rộng thường khoảng 5 km dài, l km rộng và chỉ có vài mét theo độ sâu. Nên kết cấu tấm nổi có kích thước theo phương ngang lớn hơn bề dày rất nhiều, do đó kết cấu tấm nổi rất dễ uốn so với kết cấu ngoài khơi khác, dẫn đến sự biến dạng đàn hồi sẽ vượt trội hơn so với chuyển động của tấm cứng. Vì vậy, tương tác giữa áp lực thủy động lực học và biến dạng đàn hồi hay còn gọi là Hydroelastic giữ vai trò chủ yếu trong ứng xử động lực học. Hiện nay, nhiều mô hình số học đã được phát triển để phân tích ứng xử Hydroelastic.
Từ bước phân tích đơn giản nhất là thực hiện với mô hình kết cấu một phương (mô hình dầm) và vùng chất lỏng hai phương, cho đến việc phân tích một cách chi tiết chính xác hơn với mô hình kết cấu và vùng chất lỏng theo ba phương. Về phần kết cấu, các VLFS thường là kết cấu bê tông và kết cấu thép và được khảo sát như một tấm đàn hồi tuyến tính với cạnh tự do. Chuyển động theo phương ngang của hệ kết cấu là nhỏ nên chỉ xem xét chuyển động theo phương đứng. Đồng thời, khi khảo sát ứng xử Hydroelastic, lực cản nhớt giữa mặt nước và kết cấu thường rất nhỏ so với lực cản tổng quát do quá trình tạo sóng trong một chu kỳ đặc trưng của sóng nên được bỏ qua.
Minh họa đặc tính trường uốn của VLFS Chính vì các đặc điểm trên mà phân tích động lực học kết cấu tấm nổi nhận được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới, tiêu biểu năm Endo và Yago [7] tiến hành thí nghiệm và đo đạc chuyển vị của mô hình VF-10 (mô hình thí nghiệm VF-10 tại biển của Viện Nghiện Cứu Kỹ Thuật MegaFloat, VF-10 là Pon- toon có dạng tấm chữ nhật, được thiết kế tương tự với MF-300 theo quy luật bản sao với một trọng lượng 69 kN di động) đưa ra biểu đồ ứng xử chuyển vị theo thời gian của mô hình, đây là một dữ liệu thực tế, quan trọng để nghiên cứu các vấn đề kết cấu tấm nổi. Về cơ bản có 2 loại VLFS là: Semi-submersible và Pontoon. Tổng quan 5 Các kết cấu nửa chìm nửa nổi (Semi-submersible) (Hình 1.8) được giữ cho nổi trên mực nước biển bằng cách sử dụng các cột dạng ống hoặc các kết cấu giằng nhằm giảm thiểu tác động của sóng trong khi vẫn duy trì một lực nổi liên tục (Hình 1. Do đó, chúng có thể làm giảm dao động do sóng gây ra và thích hợp ở những vùng biển lớn với những đợt sóng lớn.
Những giàn khoan khai thác dầu khí và sản xuất dầu và khí đốt là những ví dụ điển hình cho loại kết cấu này (Hình 1. Giàn khoan (Semi-submersible) Iolair trên sông Elbe, 1990 [8] Hình 1. Giàn khoan Deepsea Delta (Semi-submersible) trên biển Bắc [9] Tổng quan 6 Hình 1. Tàu chở hàng tải trọng lớn (Semi-submersible), Valletta, Malta [10] Hình 1.
Mô tả cách hoạt động của Semi-submersible tại vùng nước sâu [11] Ngược lại, kết cấu phao nổi (Pontoon) nằm trên mực nước biển như một tấm khổng lồ trôi nổi trên mặt nước. Kết cấu nổi dạng Pontoon thích hợp để sử dụng trong các vùng nước tĩnh lặng, thường nằm trong vịnh hoặc đầm và gần bờ biển. Các kết cấu nổi Pontoon siêu lớn được các kỹ sư Nhật gọi là những Mega-Float. Trong luận văn này chỉ đề cập đến kết cấu nổi siêu lớn VLFS loại phao nổi.
Tổng quan 7 Hình 1. Cầu Bergsøysund với các phao nổi làm bằng bê tông [12] Hình 1. Cầu phao gấp (PMP) [13] Hình 1. Phà qua sông Zambezi, Kazungula [14] Tổng quan 8 1.2 Tình hình nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài Ứng xử của các VLFS dưới tác động của sóng tới đã là chủ đề cho khá nhiều nghiên cứu (ví dụ Watanabe và cộng sự [15]; Wang và Wang [16]).
Để phân tích các ứng xử của VLFS dưới tải di động, chẳng hạn như máy bay trong quá trình hạ cánh và cất cánh, phân tích trong một miền thời gian là cần thiết. Vấn đề này đã được giải quyết bằng cách sử dụng các giải pháp giải tích, bán giải tích, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) cho toàn bộ miền, bao gồm miền chất lỏng và kết cấu hoặc phương pháp tích phân biên kết hợp phần tử hữu hạn (BEM - FEM). Đối với vấn đề tải di động, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) có một số bất lợi. Trong FEM hoặc BEM – FEM, một hệ tọa độ tổng thể cố định trong không gian được định nghĩa để xây dựng ma trận kết cấu.
Khi tải di chuyển từ một phần tử hữu hạn sang phần tiếp theo, vectơ tải phải cập nhật tại mỗi bước thời gian. Hơn nữa, khi tải di động đến gần hoặc vượt ra ngoài biên định sẵn, phương pháp trên không thể giải quyết. Trong trường hợp VLFS, sóng kết cấu được tạo ra bởi tải di động lan xa ra khỏi vị trí bởi vì độ cứng của nền nước là tương đối nhỏ. Điều đó dẫn đến một lượng lớn các tải di động phần tử hữu hạn cần sử dụng để mô phỏng nếu sử dụng phương pháp trên.
Do đó, cần phải có lượng lớn dung lượng bộ nhớ và thời gian tính toán. Bên cạnh đó, hầu hết kết quả số đạt được bằng bằng việc ứng dụng FEM, phương pháp này đưa ra lời giải số bằng cách rời rạc hóa phần tử tấm thành các phần tử hữu hạn. Ma trận phần tử được tính toán dựa trên một số giả thiết về các hàm dạng chuyển vị và được kết hợp để tạo thành ma trận tổng thể kết cấu tuy nhiên đa phần các phương pháp trên đều tập trung nghiên cứu ứng xử tấm trên nền đàn hồi, hoặc mô hình dầm nổi điều này không đúng thực tế. Do đó, để giải quyết những khó khăn của các phương pháp truyền thống, phương pháp phần tử chuyển động (MEM) được phát triển trong lĩnh vực động lực học đường ray (Koh và cộng sự [17]).
Phương pháp này cung cấp một giải pháp hiệu quả và thuận tiện cho các bài toán động lực học đường ray và các vấn đề tương tự liên quan đến một hệ thống di chuyển trong một miền cố định. Sau đó, Koh và cộng sự [18] đã phát triển phương pháp MEM để phân tích ứng xử động của nền bán không gian đàn hồi dưới tác dụng của tải trọng di động. Tổng quan 9 Trong Luận văn này, bài toán tấm dài vô hạn sẽ được giải quyết nhanh hơn và ít tốn kém hơn bằng phương pháp kết hợp BEM – MEM, nội dung chính của 2 phương pháp này được trình bày bên dưới Phương pháp BEM Là một phương pháp số tổng quát để giải quyết phương trình tích phân biên, có những thuận lợi sau • Sự rời rạc hóa chỉ giới hạn ở các biên của một miền, làm giảm đáng kể bậc tự do của vấn đề và làm cho việc tạo dữ liệu dễ dàng hơn nhiều. • Sự rời rạc hóa chỉ được yêu cầu trên ranh giới trong cho một số trường hợp, phù hợp hơn để giải quyết các vấn đề liên quan đến một miền vô hạn.
• Cung cấp một cách tiếp cận thuận tiện để giải quyết với các vấn đề liên quan đến một số loại điểm gián đoạn hoặc điểm kỳ dị. Phương pháp MEM Phương pháp MEM có những thuận lợi sau • Tải di động sẽ không bao giờ đến biên vì phần tử được đề xuất luôn chuyển động. • Tải di động sẽ không phải di chuyển từ phần tử này đến phần tử khác, do đó tránh được việc cập nhật vectơ tải trọng. • Phương pháp này cho phép phần tử hữu hạn có kích thước không bằng nhau và điều này có thể hữu ích khi các tải tác dụng tại các điểm tùy ý.
Nghiên cứu này cho thấy BEM – MEM là phương pháp thích hợp để phân tích các bài toán động lực học cho kết cấu tấm dài vô hạn trên nền chất lỏng. Mô hình tải trọng di động và phần tử tấm cố định (FEM) Tổng quan 10 Hình 1. Mô hình tải trọng cố định và phần tử tấm chuyển động (MEM) 1.1 Các công trình nghiên cứu trên thế giới Vấn đề phân tích ứng xử của kết cấu tấm nổi chịu tải trọng di động luôn được quan tâm và nghiên cứu trên thế giới trong những thập kỷ gần đây.
