BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN THÀNH AN

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU TẤM
NỔI (VLFS) DƯỚI TÁC DỤNG TẢI TRỌNG TẬP
TRUNG DI ĐỘNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số ngành: 60580208

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 4 năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN THÀNH AN

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU TẤM
NỔI (VLFS) DƯỚI TÁC DỤNG TẢI TRỌNG TẬP
TRUNG DI ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số ngành: 60580208


TS. Nguyễn Văn Giang

Phản biện 2

4

TS. Nguyễn Hồng Ân

5

TS. Trần Tuấn Nam

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch

Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận sau khi luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC


KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


i

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp nằm trong hệ thống
bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biết
cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng… Ðó là trách
nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học.
Ðể hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã
nhận được sự giúp đỡ nhiều từ tập thể và các cá nhân. Tôi xin ghi nhận và tỏ lòng
biết ơn tới tập thể và các cá nhân đã đành cho tôi sự giúp đỡ quý báu đó.
Ðầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS. Lương Văn Hải.
Thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài, góp ý cho tôi rất
nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận
nghiên cứu hiệu quả.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng Công trình
Dân dụng và Công nghiệp Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM-HUTECH đã
truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi, đó cũng là những kiến thức không thể
thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp của tôi sau này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến NCS. Nguyễn Xuân Vũ đã giúp đỡ tôi rất
nhiều trong quá trình thực hiện luận văn này. Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong
thời gian quy định với sự nỗ lực của bản thân, tuy nhiên không thể không có những
thiếu sót. Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và
hoàn thiện bản thân mình hơn.
Xin trân trọng cảm ơn.
Tp. HCM, ngày 5 tháng 4 năm 2017

Nguyễn Thành An

(BEM) và phần tử hữu hạn (FEM).
•

Ngoài ra, cách thiết lập các ma trận khối lượng, ma trận độ cứng và ma

trận cản cho hệ kết cấu nổi sẽ được trình bày trong luận văn.


iii

ABSTRACT
Along with the development of the economy, the demand for human housing has
increased, so more and more land reclamation projects have been launched.
However, this solution is suitable for not too deep (depths less than 20m). For deep
water or deep seabed, this solution requires enormous costs and technical
difficulties, even impossible. In addition, land reclamation projects have negatively
impacted the country's environment, underground ecosystems, and coastlines with
its neighbors. To solve this problem, researchers and engineers have proposed a
more efficient alternative, namely the construction of a Very Large Floating
Structures (VLFS).
Currently, modern floating structures have been promoted by countries in the
world, such as Japan, Italy, France, USA, China and South Korea. Some studies on
this issue, however, these studies focus on investigating the small size of the
structure is not true, the effect of the velocity of the load, the depth of the sea, the
change. The load, thickness, width of floating structure for displacement behavior
of floating sheet has not been studied for clarification.
Therefore the dissertation was conducted with the purpose of:
•

Focus on the behavioral survey of large mobile floating structures under

MỤC LỤC .............................................................................................................. v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ x
MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT ............................................................................. xi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................. 1
1.1 Giới thiệu.................................................................................................... 1
1.2 Tình hình nghiên cứu .................................................................................. 4
1.2.1 Các công trình nghiên cứu ngoài nước ............................................. 4
1.2.2 Các công trình nghiên cứu trong nước .............................................. 5
1.3 Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................... 6
1.4 Hướng nghiên cứu ...................................................................................... 6
1.5 Cấu trúc luận văn ........................................................................................ 7
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... 8
2.1 Mô hình tấm và chất lỏng ........................................................................... 8
2.2 Lý thuyết tấm Mindlin chịu uốn .................................................................. 9
2.3 Mô hình phần tử hữu hạn cho kết cấu tấm................................................. 11
2.4 Hệ tọa độ địa phương phần tử tham số tham chiếu Q9 ............................... 14
2.5 Phương pháp tích phân biên ...................................................................... 17
2.6 Phần tử tấm 4 nút ...................................................................................... 19
2.7 Phương trình chuyển động chất lỏng miền thời gian ................................. 20
2.8 Phương pháp phần tử biên cho chuyển động của chất lỏng ....................... 21
2.9 Ma trận FEM của tấm trong miền thời gian............................................... 23


vi

2.10 Xấp xỉ miền thời gian ............................................................................... 23
2.11 Giải hệ phương trình tương tác ................................................................. 23
2.12 Phương pháp Newmark ............................................................................ 25
2.13 Lưu đồ tính toán ....................................................................................... 27


Hình 2.1.

Mô phỏng mô hình kết cấu nổi .............................................................. 9

Hình 2.2.

Mô hình tấm dày Mindlin ................................................................... 10

Hình 2.3.

Phần tử tứ giác Q9 trong hệ tọa độ địa phương ................................... 15

Hình 2.4.

Phần tử tứ giác Q9 trong hệ tọa độ tự nhiên ......................................... 15

Hình 2.5.

Miền khảo sát và mặt biên tròn, nữa đường tròn [17] .......................... 18

Hình 2.6.

Panel 4 nút .......................................................................................... 20

Hình 2.7.

Lưu đồ tính toán.................................................................................. 27

Hình 3.1.


Hình 3.9.

Khảo sát chuyển vị tấm tại Z5 ở thời điểm 9.4s ................................... 35

Hình 3.10. So sánh chuyển vị tấm tại Z1, Z5, Z9 với mô hình thí nghiệm VF10........................................................................................................ 36
Hình 3.11. So sánh hình dạng chuyển vị wmax của tấm ứng với giá trị V thay
đổi ...................................................................................................... 37
Hình 3.12. Chuyển vị tấm ứng với vận tốc V1= 20 km/h khi tải tại điểm Z5 .......... 38
Hình 3.13. Chuyển vị tấm với vận tốc V2= 40 km/h khi tải tại điểm Z5 ................. 38
Hình 3.14. Chuyển vị tấm với vận tốc V3= 60 km/h khi tải tại điểm Z5 ................. 38


viii

Hình 3.15. Chuyển vị tấm với vận tốc V4= 80 km/h khi tải tại điểm Z5 ................. 39
Hình 3.16. Chuyển vị tấm theo thời gian với vận tốc V1= 20 km/h ........................ 39
Hình 3.17. Chuyển vị tấm theo thời gian với vận tốc V2= 40 km/h ........................ 40
Hình 3.18. Chuyển vị tấm theo thời gian với vận tốc V3= 60 km/h ........................ 40
Hình 3.19. Chuyển vị tấm theo thời gian với vận tốc V4= 80 km/h ........................ 41
Hình 3.20. Biểu đồ sự biến thiên chuyển vị wmax khi thay đổi vận tốc V ............... 43
Hình 3.21. Chuyển vị của tấm chịu tải trọng di động trên nền đàn nhớt [17]......... 45
Hình 3.22. Phối cảnh 3D chuyển vị của tấm trên nền đàn nhớt [17] ...................... 45
Hình 3.23. So sánh chuyển vị theo thời gian tại điểm Z5 ứng với các tải trọng
P ......................................................................................................... 47
Hình 3.24. Chuyển vị tấm ứng với tải trọng P1=15 kN khi tải tại điểm Z5 ............ 47
Hình 3.25. Chuyển vị tấm ứng với tải trọng P2= 30 kN khi tải tại điểm Z5 ........... 47
Hình 3.26. Chuyển vị tấm ứng với tải trọng P3=45 kN khi tải tại điểm Z5 ............ 48
Hình 3.27. Chuyển vị tấm ứng với tải trọng P4= 60 kN khi tải tại điểm Z5 ........... 48
Hình 3.28. Biểu đồ sự biến thiên chuyển vị wmax khi thay đổi tải trọng P .............. 48

Hình 3.54. Chuyển vị tấm ứng với chiều rộng B5= 3 m khi tải tại điểm Z5 ........... 63
Hình 3.55. Biểu đồ sự biến thiên chuyển vị wmax khi thay đổi chiều rộng B .......... 64


x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Thông số đầu vào của bài khảo sát ...................................................... 28
Bảng 3.2. Bảng thông số mô hình VF-10 ............................................................ 30
Bảng 3.3. So sánh chuyển vị wmax của tấm ứng với các giá trị V1, V2, V3, V4 ........ 37
Bảng 3.4. Sự biến thiên giá trị wmax với vận tốc V từ 20 km/h đến 100 km/h ........ 42
Bảng 3.5. Bảng thông số tấm Mindlin trên nền đàn nhớt chịu tải di động [17] .... 44
Bảng 3.6. So sánh chuyển vị wmax của tấm ứng với các giá trị P1, P2, P3, P4 ........ 46
Bảng 3.7. So sánh chuyển vị wmax của tấm ứng với các giá trị H1, H2, H3, H4 ...... 50
Bảng 3.8. So sánh chuyển vị wmax của tấm ứng với các giá trị h1, h2, h3, h4.......... 55
Bảng 3.9. Sự biến thiên giá trị wmax với bề dày h từ 1 m đến 10 m ....................... 58
Bảng 3.10. So sánh chuyển vị wmax của tấm ứng với các giá trị B1, B2, B3, B4 ........ 60
Bảng 3.11. Sự biến thiên giá trị wmax với chiều rộng B từ 15 m đến 120 m ............ 64


xi

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
VLFS

Kết cấu nổi siêu lớn (Very Large Floating Structures)

FEM



M

Ma trận khối luợng tổng thể

K

Ma trận độ cứng tổng thể

C

Ma trận cản tổng thể

F

Véctơ tải trọng tổng thể của hệ

Me

Ma trận khối luợng phần tử

Ce

Ma trận cản phần tử

Ke

Ma trận độ cứng phần tử

Fe


G

Module chống cắt đàn hồi của vật liệu

v

Hệ số poisson của vật liệu

ρ

Trọng luợng riêng của vật liệu

h

Chiều dày tấm

Ψx

Góc xoay của tấm quay quanh trục y

Ψy

Góc xoay của tấm quay quanh trục x

s

Hệ số hiệu chỉnh cắt

u,v,w


∞

Chiều mặt chất lỏng ở vô cực

m

Khối lượng riêng tương đương

d

Phần chìm trong nước

T

Chu kì sóng

λ

Bước sóng


Tổng quan

1

CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN
1.1


cấu, kết cấu nổi thường là kết cấu bê tông và kết cấu thép. Chúng được khảo sát như
một tấm đàn hồi tuyến tính với cạnh tự do. Chuyển động theo phương ngang của hệ
thống 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.


Tổng quan

3

Hình 1.3. Minh họa tính trường uốn 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 (1999) [1] 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. Tuy nhiên nghiên cứu này vẫn còn hạn chế
như kích thước và tải trọng tác dụng vào mô hình chưa đúng thực tế, chưa kiểm
chứng khảo sát ứng xử của kết cấu nổi khi áp dụng vào thực tế dưới sự ảnh hưởng
của vận tốc, tải trọng, độ sâu đáy biển, bề dày và chiều rộng kết cấu tấm nổi... Do
đó, luận văn này được thực hiện với mục đích nghiên cứu khảo sát làm rõ thêm các
vấn đề về ứng xử chuyển vị của kết cấu nổi khi chịu tải tập trung di động với kích
thước, tải trọng thực tế và ứng xử kết cấu khi thay đổi các điều kiện như tải trọng,
độ sâu đáy biển, bề dày và chiều rộng kết cấu tấm nổi. Sử dụng phương pháp kết
hợp BEM-FEM (Boundary Element Method- Finite Element Method) để khảo sát
ứng xử chuyển vị của kết cấu tấm nổi.


Timoshenko dài vô hạn trên nền đàn nhớt.
Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích ứng xử kết cấu
nổi có thể kể đến nghiên cứu của Yoshida và Weaver (1971) [8] đã phân tích phần
tử hữu hạn của dầm và tấm với tải di động, nghiên cứu này đã dùng phương pháp
FEM để phân tích dầm và tấm tựa đơn chịu tải trọng chuyển động và khối lượng
chuyển động. Trong nghiên cứu này, khối lượng chuyển động được mô hình hóa để
phân tích sự tương tác giữa mặt đường và sự chuyển động xe. Wu và cộng sự
(1987) [9] phân tích động lực học của một tấm phẳng theo một tải di chuyển bằng
phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu phản ứng động của kết cấu tấm với các
yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử của tấm như chiều dài tấm, gia tốc và vận tốc ban đầu


Tổng quan

5

của tải trọng di chuyển. Ðể nghiên cứu các ứng dụng thực tế, Gupta (2009) [10]
phân tích dao động tự nhiên của tấm hình chữ nhật trên nền đàn nhớt với sự thay đổi
bề dày của tấm. Các phương pháp như phương pháp Newmark và phương pháp
Wilson dùng tính lặp từng bước thời gian thường được sử dụng để giải quyết các
phương trình dao động. Tuy nhiên tài liệu liên quan phân tích động một vật thể nổi
chịu tải di động còn hạn chế. Wu và Shih (1998) [11] nghiên cứu dao động do
chuyển động của cầu nổi, đã thực hiện nghiên cứu của một cầu treo bằng FEM.
Sturova (2002) [12] ứng xử dầm đàn hồi trôi nổi trên mặt nước cạn dưới tải bên
ngoài bằng phương pháp mode-expansion. Xing và Jin (2007) [13] nghiên cứu
phân tích động động học của một hệ thống tương tác dầm nổi bị kích thích bởi tác
động của dầm, đã trình bài kết quả số ứng xử đàn hồi của dầm nổi chịu tác động hạ
cánh của hệ “khối lượng-lò xo-cản nhớt”. Watanabe và Utsunomiya (2004) [14]
Phân tích thủy động lực của VLFS kiểu phao, bằng việc sử dụng phương pháp phần
tử hữu hạn đã trình bài kết quả số cho ứng xử đàn hồi của một tấm tròn nổi chịu tác

dụng kết hợp phương pháp phần tử biên (BEM) và phương pháp phần tử hữu hạn
(FEM) trong vấn đề “Phân tích động lực học kết cấu tấm nổi VLFS dưới tác dụng
tải trọng tập trung di động” góp phần đưa ra kết quả chính xác so với thực tế, từ đó
rút ra nhận xét về ứng xử chuyển vị của kết cấu tấm nổi chịu tải tập trung di động
dưới sự thay đổi vận tốc, độ lớn tải trọng, độ sâu đáy biển, bề dày và chiều rộng tấm
nổi bằng phương pháp BEM-FEM góp phần làm rõ thêm các vấn đề về ứng xử
chuyển vị của kết cấu nổi dưới tác dụng các tác nhân trên.
1.3

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài nhằm khảo sát ứng xử chuyển vị của tấm nổi dưới sự ảnh
hưởng do tốc độ di chuyển của tải trọng, khối lượng tải trọng, độ sâu đáy biển, bề
dày và chiều rộng tấm nổi bằng phương pháp kết hợp phần tử biên và phần tử hữu
hạn (BEM-FEM) để phân tích ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi chịu tải tập
trung di động.
1.4

Hướng nghiên cứu
Xây dựng thuật toán giải hệ phương trình tương tác giữa kết cấu và chất lỏng

trong miền thời gian.
Phát triển thuật toán Matlab giải hệ phương trình tương tác giữa kết cấu và
chất lỏng trong miền thời gian.
Các vấn đề nghiên cứu khảo sát cụ thể trong phạm vi luận văn bao gồm:
•

Thiết lập các ma trận khối lượng, độ cứng, cản cho các phần tử tấm dày
Mindlin.


cấu tấm nổi VLFS chịu tải trọng di động.
Chương 3: Trình bày các kết quả phân tích số được tính toán bằng ngôn ngữ
lập trình Matlab để giải hệ phương trình tương tác của kết cấu và chất lỏng, tiến
hành kiểm chứng với mô hình thí nghiệm VF-10 của Endo và Yago (1999) [1],
khảo sát ứng xử chuyển vị của kết cấu tấm nổi dưới ảnh hưởng của sự thay đổi vận
tốc, trọng lượng của tải di động, độ sâu đáy biển, bề dày và chiều rộng của kết cấu
tấm nổi.
Chương 4: Ðưa ra một số kết luận quan trọng đạt được trong luận văn và kiến
nghị hướng phát triển của đề tài trong tương lai.
Tài liệu tham khảo, trích dẫn các tài liệu liên quan phục vụ cho mục đích
nghiên cứu của đề tài.


Cơ sở lý thuyết

8

CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương này trình bày các công thức cơ bản của tấm chịu uốn và thiết lập công thức
để phân tích sự tương tác của kết cấu và chất lỏng trường hợp chịu tải trọng tập
trung di động.
2.1

Mô hình tấm và chất lỏng

Mô hình kết cấu tấm nổi có dạng hình chữ nhật với các cạnh là L và B, hệ tọa độ,
chiều mặt biên và miền chất lỏng sử dụng cho mô hình được thể hiện trong Hình
2.1. Trong đó P là tải trọng, V là vận tốc của tải trọng, H là độ sâu, d là phần chìm
kết cấu trong nước, L là chiều dài kết cấu, Γ b là biên tại độ sâu đáy biển, Γ sh là


Lý thuyết tấm Mindlin chịu uốn

Mô hình Reissner-Mindlin (Hình 2.2) với Ψ x là góc xoay của tấm quay quanh trục
y; Ψ y là góc xoay của tấm quay quanh trục x; u,v,w là chuyển vị của tấm theo
phương x,y,z. Theo mô hình Reissner-Mindlin các đoạn thẳng vuông góc với mặt
trung bình vẫn thẳng trong quá trình biến dạng nhưng không còn vuông góc với mặt
trung gian nữa và các góc vuông này bị thay đổi một lượng đúng bằng biến dạng
trượt trung bình gây ra bởi lực cắt. Như vậy góc xoay tổng cộng của mặt cắt gồm