ĐẶT VẤN ĐỀ Những nghiên cứu về ứng xử của dầm đặt trên nền đàn hồi chịu tải trọng di động đã dành được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu trên thế giới. Bên cạnh những kết quả đạt được, thì còn đó những hạn chế cần được nghiên cứu nhiều hơn. Ngày nay các phương tiện di chuyển với vận tốc rất cao, như các loại tàu cao tốc thế hệ mới đạt vận tốc trung bình hơn 200km/h, chuyển vị của nền đất do nguyên nhân động lớn hơn đáng kể so với tải tĩnh. Trong những nghiên cứu gần đây cũng đã kể đến những ảnh hưởng trong quá trình vận hành của tải trọng di động làm gia tăng chuyển vị của kết cấu đỡ, một trong số đó là việc hãm phanh của tải trọng.
Những dao động của tải trọng bên trên có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến kết cấu đỡ bên dưới, làm tăng sự mất anh toàn của cả phương tiện và con người. Đề tài này giúp ích cho việc thiết kế cũng như dự đoán được ứng xử vật lý của các kết cấu thực tế như: mặt đường sân bay, kết cấu ray tàu hỏa cao tốc, kết cấu cầu, đường ống dẫn theo phương ngang,…. Để mô tả ứng xử của đất nền chịu tải trọng có rất nhiều mô hình khác nhau, một trong những mô hình đơn giản được đưa ra sớm nhất là mô hình nền đàn hồi Winkler. Trong mô hình này, đất nền được xem là tập hợp của những lò xo đàn hồi mà quan hệ giữa nội lực và chuyển vị của lò xo là quan hệ tuyến tính.
Mô hình này đơn giản song chỉ phù hợp với đất rời, và thiếu chính xác với loại đất dính. Để khắc phục nhược điểm của mô hình nền Winkler, một số mô hình khác với sự bổ sung thông số thứ hai được đưa ra bởi Filonenko- Borodich (1940), Pasternak (1954), Hetényi (1946). Với sự kể đến thông số thứ hai này đưa mô hình đất nền gần giống thực tế hơn mô hình Winkler song vẫn chưa đủ phức tạp để phản ánh ứng xử thật của nền đàn hồi liên tục. Từ yêu cầu của thực tiễn đã dẫn đến phát triển nhiều mô hình phức tạp, bao gồm nhiều thông số độc lập hơn để mô tả tính cản của đất nền và ứng xử phi tuyến do tính chất hóa rắn của đất nền.
Nhận thấy rằng trong các nghiên cứu về dầm nền đã được tiến hành, phương trình dao động của hệ thường bỏ qua ảnh hưởng của khối lượng nền, nhưng trong thực tế đất nền có khối lượng nhất định và sẽ ảnh hưởng nào đó đến ứng xử kết cấu tương tác với nền. Quốc và Toàn (2005) [1] đã tiến hành thì nghiệm xác định ảnh hưởng của khối lượng nền đối với tần số dao động riêng của tấm trên nền đàn hồi, kết quả thí nghiệm cho 2 thấy khối lượng nền tham gia dao động là có ảnh hưởng đáng kể đến đặc trưng động học của tấm và tỷ lệ với chiều dày của lớp nền bên dưới nhưng cũng chỉ tăng đến một giới hạn nhất định. Nguyễn và các cộng sự (2015) [2] đã phân tích ảnh hưởng của khối lượng nền lên ứng xử động của dầm chịu tải trọng di động, kết quả khảo sát cho thấy các thông số độ cứng nền, tỷ số mật độ khối và thông số ảnh hưởng của khối lượng nền có ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử động trong dầm, kết quả này phù hợp với thí nghiệm mà Quốc đã thực hiện. Nguyễn và các cộng sự (2016) [3] đã đề xuất một mô hình nền mới cho phân tích động của dầm trên nền đàn hồi chịu tải trọng di động.
Mô hình này bao gồm các thông số nền Winkler tuyến tính và phi tuyến, thông số nền tuyến tính Pasternak, hệ số cản nhớt và sự xem xét đặc biệt ảnh hưởng thông số khối lượng nền. M v Daàm Neàn tuyeät ñoái cöùng Hình 1.1 Mô hình dầm nền theo Nguyễn và các cộng sự [3] Với các bài toán động, vận tốc của tải trọng động thường được giả định là hằng số để đơn giản hóa bài toán, điều này không phù hợp với thực tế. Các nghiên cứu có kể đến vận tốc thay đổi không nhiều, trong đó bài toán xét ảnh hưởng của hãm phanh được quan tâm nhiều vì có tính thực tế cao. Toán và các cộng sự (2017) [4] đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích tương tác động của cầu bảy nhịp liên tục với mô hình xe ba trục, có xét quán tính xoay của khung và ảnh hưởng động của tham số moment phanh xe.
Kết quả của phương pháp này được so sánh với số liệu thực nghiệm, qua đây thấy rằng tải hãm làm tăng đáng kể chuyển vị của dầm. Nhóm các tác giả Thi, Hải và các cộng sự (2016) [5] [6] [7] [8] đã có nhiều nghiên cứu khác nhau về ảnh hưởng của phanh xe, với mô hình dầm Euler–Bernoulli tựa trên nền đàn nhớt. Nhiều thông số khác liên quan đến tải trọng hãm như: độ nhám thanh ray, điều kiện bề mặt tiếp xúc, độ lớn lực ma sát, đoàn tải trọng…ảnh hưởng đến ứng xử dầm cũng được trình bày chi tiết. Hoa và các cộng sự (2019) [9] đã phân tích ứng xử của dầm chịu hệ dao động di động, với mô hình hãm phức tạp hơn, tiệm cận với thực tế.
Tải hãm sẽ gồm ba pha, ở pha thứ nhất hệ chịu gia tốc không đổi, và hệ chịu gia tốc hãm ở pha thứ hai. Kết quả thấy rằng hệ số động chuyển vị và chuyển vị tăng khi gia tốc hãm tăng và hiện tượng trượt cũng được trình bày. 3 Từ những nhận định như trên, luận văn chọn hướng nghiên cứu là phân tích ứng xử dầm trên nền đàn nhớt với khối lượng nền chịu tải trọng di động có xét lực hãm là phù hợp, mang tính thực tế. Đề tài này là sự kết hợp mô hình nền đàn nhớt xét khối lượng nền, với mô hình hãm phanh, và các mô hình liên quan để giải quyết những yêu cầu sát với của thực tiến của kết cấu.
MỤC TIÊU LUẬN VĂN Mục tiêu của Luận văn này là đánh giá sự ảnh hưởng của thông số khối lượng nền và lực hãm phanh lên ứng xử của dầm. Để thực hiện được mục tiêu này, các nội dung công việc cụ thể được tiến hành như sau: - Xây dựng mô hình bài toán dầm Euler-Bernoulli trên đàn nhớt có xét đến khối lượng nền, vị trí hãm, lực hãm của tải trọng di động trên dầm. - Tìm hiểu cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn, từ đó thiết lập các ma trận phần tử gồm: ma trận độ cứng, ma trận khối lượng dầm và nền, ma trận cản của dầm và nền. Từ đó ghép nối thành các ma trận phần tử trên mô hình tương thích để được ma trận tổng thể.
- Dựa trên nguyên lý cân bằng động và phương trình Lagrange, thiết lập phương trình vi phân chuyển động chủ đạo của hệ dao động di động, tìm ra lực tương tác giữa dầm với hệ dao động di động. Từ đó thiết lập được véc-tơ tải phần tử kể đến ảnh hưởng của lực hãm của tải trọng. Tìm hiểu phương pháp tích phân số Newmark trên toàn miền thời gian để giải phương trình chuyển động chủ đạo. - Viết một chương trình máy tính bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB để giải bài toán, dựa trên những công thức đã thiết lập.
Kiểm chứng độ tin cậy của chương trình tính bằng cách so sánh một số bài toán cụ thể với kết quả đã được công bố quốc tế. Sau đó tiến hành phân tích khảo sát các thông số cần nghiên cứu. Nhận xét, đánh giá kết quả một cách khách quan từ đó đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo. Sự khác biệt của đề tài: - Đề tài là sự tiếp nối và kết hợp các nghiên cứu của Nguyễn và cộng sự (2016) [3] và Thi và các cộng sự [5], khảo sát kết cấu dầm trên nền với khối lượng nền chịu hệ dao động di động có xét tải hãm.
PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN Hướng nghiên cứu của luận văn là lý thuyết, chính vì thế phương pháp thực hiện là tìm hiểu cơ sở lý thuyết, thực hiện tính toán ví dụ số bằng lập trình và đánh giá kết quả. Cụ thể cách thức thực hiện sẽ được trình bày như sau: -Tìm hiểu các tài liệu, những nghiên cứu khoa học đã được công bố trong và ngoài nước có liên quan đến hướng nghiên cứu, từ đó phát triển lên, tìm ra hướng mới chưa được thực hiện. Tính mới trong đề tài là mô hình nền đàn nhớt có kể thêm thông số khối lượng nền và ảnh hưởng của lực hãm. -Dựa trên các cơ sở lý thuyết có liên quan như mô hình dầm, mô hình nền, tải trọng, mô hình hãm, vv.thiết lập các phương trình mô tả chuyển động của hệ kết cấu.
Áp dụng phương pháp số Newmark để giải bài toán theo thời gian dựa trên chương trình máy tính được viết trên ngôn ngữ MATLAB. -Kiểm tra độ chính xác của chương trình máy tính bằng cách so sánh một số kết quả với những nghiên cứu được công bố. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số được nghiên cứu, đánh giá cũng như nhận xét các kết quả đạt được. CẤU TRÚC LUẬN VĂN Nội dung của luận văn được trình bày trong năm chương, được sơ lược như sau.
Giới thiệu tổng quan về đề tài, mục tiêu đề tài, phương pháp thực hiện sẽ được trình bày trong chương đầu tiên. Chương 2 sẽ đề cập đến tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài luận văn, qua đó thể hiện tính mới, và sự đóng góp của đề tài. Mô tả mô hình bài toán chính, cùng với đó là các cơ sở lý thuyết có liên quan, thực hiện thiết lập phương trình vi phân chuyển động chủ đạo của hệ có xét đến lực hãm, đưa ra phương pháp giải và xây dựng thuật toán để phân tích ứng xử của dầm trên toàn miền thời gian sẽ được trình bày chi tiết trong chương 3 của luận văn. Chương 4 sẽ thực hiện kiểm chứng chương trình nguồn và các khảo sát số.
Đánh giá và nhận xét các kết quả đạt được. Chương cuối cùng sẽ là những kết luận và đưa ra hướng phát triển của đề tài. Những tài liệu liên quan phục vụ cho mục đích nghiên cứu của đề tài và mã nguồn chương trình tính dùng trong khảo sát các ví dụ số ở chương 4 sẽ được in trong phần Phụ lục. 5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.
GIỚI THIỆU Chương này sẽ trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài luận văn. Các nghiên cứu sẽ được chia làm hai nhóm chính là: - Nhóm nghiên cứu bài toán kết cấu dầm- nền chịu tải trọng.
