ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN NHẶT TÂN

ỨNG XỬ ĐÔNG Lưc HOC KẾT CẤU TẤM NỔI
•••

DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA HÊ NHIỀU BẢC Tư DO DI ĐÔNG
••••

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số ngành: 60 58 02 08

LUẬN VĂN THẠC sĩ

Tp. HCM, 6-2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN NHẶT TÂN

ỨNG XỬ ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU TẤM NỔI
DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ NHIỀU BẬC TỰ DO DI ĐỘNG
••••

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số ngành: 60 58 02 08


-ủy viên
4.
TS. Nguyễn Phú Cường -ủy viên
5.

TS. Nguyễn Hồng Ân

CHỦ TỊCH HỘI ĐÒNG

(Phản biện1)
(Phản biện2)

-ủy viên

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: PHAN NHẬT TÂN

MSHV: 1670936

Ngày, tháng, năm sinh: 23/09/1994



PGS. TS. Lương Văn Hải
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DựNG
(Họ tên và chữ ký)


1

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. Đó là trách nhiệm
và niềm tự hào của mỗi học viên cao học.
Đe hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận
đuợc 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 dành cho tôi sự giúp đỡ quý báu đó.
Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS. TS. Luơng Văn Hải. Thầy
đã đua ra gợi ý đầu tiên để hĩnh thành nên ý tuởng 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, truờng Đại học
Bách Khoa Tp. HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi, đó cũng là những
kiến thức không thể thiếu trên con đuờng 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 trĩnh thực hiện Luận văn này.
Lời cảm ơn sâu sắc nhất tôi xin gửi đến ba mẹ cùng gia đĩnh đã tạo cho tôi niềm tin,
điếm tựa, sức mạnh và ý chí giúp con vuợt qua nhiều khó khăn, thử thách.
Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thòi gian quy định với sụ nỗ lục của bản thân,
tuy nhiên không thế không có những thiếu sót. Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm

tác giữa kết cấu tấm nối và nước cũng được khảo sát và trĩnh bày vĩ đây là một trong
những yếu tố quan trọng đến sự vận hành an toàn của mặt đường thông qua phương pháp
phần tử biên BEM. Các kết quả phân tích số được triển khai nhằm tìm hiểu ảnh hưởng
của những yếu tố quan trọng đến ứng xử của kết cấu tấm nổi, hệ nhiều bậc tự do như vận
tốc, khối lượng, độ cứng và hệ số cản của thân xe, giá chuyển hướng, bánh xe, chiều dày
tấm... Các kết quả nghiên cứu trong Luận văn hy vọng có thể là một trong những tài liệu
tham khảo hữu ích nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho công việc thiết kế, thi công và bảo
dưỡng hệ thống tấm nối và hệ thống xe.


Ill

ABSTRACT
With limited land area on the mainland, the system of the very large floating structure
has attracted the attention of many researchers in the world. However, in previous
studies, the models for moving load has been often a concentrated force without
interaction between floating structures and moving loads. In this thesis, the thesis aims
to focus on analyzing the hydroelastic behaviors of floating structures under moving
frames using the hybrid method combined of the moving elements method (MEM) and
the boundary element method (BEM). Namely, the MEM method is developed to
overcome the limitations of the finite element method in solving the moving load
problems. Moreover, the BEM is employed to simulated the fluid domain surrounding
the floating plate structure which defined by the Laplace equation and boundary
conditions. Moreover, the influence of the important factors on hydroelastic behavior of
floating plate structure, multi-degrees of freedom system are studied according to
numerical investigations.


IV


1.2.2 ...................................................................................................
Các công trình nghiên cứu trong nước ...........................................................8
1.3 Mục tiêu và hướng nghiên cứu .......................................................................9
1.4 Cấu trúc Luận văn ......................................................................................... 10
CHUƠNG 2. Cơ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................ 11
2.1 Mô hình kết cấu tấm nổi dưới ảnh hưởng của hệ 3 bậc tự do di động .......... 11
2.2 Mô hình liên kết giữa bánh xe và kết cấu tấm nổi ........................................ 14
2.3 Lý thuyết tấm Kirchhoff ................................................................................ 15
2.3.1 Giới thiệu tổng quát ........................................................................... 15
2.3.2 Biến dạng của tấm và mối quan hệ giữa biến dạng - chuyển vị ........ 16
2.3.3 Biến dạng của tấm và mối quan hệ giữa ứng suất - biến dạng .......... 17
2.3.4 Phương trình năng lượng của tấm nối .................................................19
2.4 Phần tử tấm tứ giác ........................................................................................ 19
2.5 Phép tích phân số - Phép cầu phương Gauss ..................................................26
2.6 Hệ phương trình chuyển động của sóng ........................................................ 26


VI

2.6.1 Phương trình Laplace .........................................................................27
2.6.2 Phương trình điều kiện động lực học trên mặt nước .......................... 27
2.6.3 Phương trình điều kiện động lực học trên mực nước ......................... 28
2.7

Lý thuyết sóng tuyến tính .............................................................................28
2.7.1 Phương trình điều kiện động lực học trên mực nước .........................28
2.7.2 Hàm thế vận tốc .................................................................................29
2.7.3 Phương trình dao động sóng ..............................................................31
2.7.4 Các đặc trưng cơ bản của sóng ...........................................................31
2.7.5 Vận tốc và phương trĩnh quỹ đạo phần tử nước .................................33

3.2.2 Bài toán 3: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi hệ số cản giá chuyển hướng c2 thay đổi ..........54


Vll

3.2.3 Bài toán 4: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi hệ số cản bánh xe c3 thay đổi ..........................58
3.2.4 Bài toán 5: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi độ cứng thân xe kỵ thay đổi .............................62
3.2.5 Bài toán 6: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi độ cứng giá chuyển hướng k2 thay đổi ............66
3.2.6 Bài toán 7: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi độ cứng bánh xe k3 thay đổi ............................70
3.2.7 Bài toán 8: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi khối lượng thân xe n\ thay đổi .........................74
3.2.8 Bài toán 9: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi khối lượng giá chuyển hướng m2 thay đổi ......78
3.2.9 Bài toán 10: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưói ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi khối lượng bánh xe m3 thay đổi .......................82
3.2.10 Bài toán 11: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưói ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi vận tốc xe V thay đổi .......................................86
3.2.11 Bài toán 12: Khảo sát hình dạng tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3 bậc
tự do di động khi vận tốc xe V thay đổi ..............................................90
3.2.12 Bài toán 13: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi module đàn hồi E thay đổi ...............................95
3.2.13 Bài toán 14: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi chiều dày tấm h thay đối .................................99
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................ 104
4.1 Kết luận ....................................................................................................... 104

Hình 2.1.

Mô hình kết cấu tấm nổi dưói ảnh hưởng hệ 3 bậc tự do di động .......... 11

Hình 2.2.

Xét cân bằng ở thân xe của hệ 3 bậc tự do di dộng ................................ 12

Hình 2.3. Xét cân bằng ở giá chuyển hướng của hệ 3 bậc tự do di dộng ................... 12
Hình 2.4.

Xét cân bằng ở bánh xe của hệ 3 bậc tự do di dộng................................ 13

Hình 2.5.

Xét cân bằng ở vị trí tiếp xúc của hệ 3 bậc tự do di dộng, tấm nổi......... 13

Hình 2.6.

Mô hình liên kết bánh xe và kết cấu tấm nổi .......................................... 14

Hình 2.7.

Mô hình động học của kết cấu tấm nổi theo lý thuyếtKirchhoff ............ 16

Hình 2.8. Quy ước chiều dương của chuyển vị w và hai chuyển vị xoay px, /3y
của kết cấu tấm nổi theo lý thuyết Kirchhoff ......................................... 17
Hình 2.9. Phần tử tứ giác bốn nút g4 trong hệ tọa độ địa phương ........................... 19
Hình 2.10. Phần tử tứ giác bốn nút Q4 trong hệ tọa độ tự nhiên............................... 23
Hình 2.11. Mô hình sóng .......................................................................................... 27

Hình 3.7.

Chuyển vị giá chuyển hướng khi thay đổi hệ số cản thân xe ................. 52

Hình 3.8.

Chuyển vị bánh xe khi thay đổi hệ số cản thân xe ................................. 52

Hình 3.9.

Hệ số động lực học khi thay đổi hệ số cản giá chuyển hướng ............... 54

Hình 3.10. Chuyển vị tấm theo phương X khi thay đổi hệ số cản giá chuyển
hướng ...................................................................................................... 55
Hình 3.11. Chuyển vị tấm theo phương X khi thay đổi hệ số cản giá chuyển
hướng ...................................................................................................... 55
Hình 3.12. Chuyển vị thân xe khi thay đổi hệ số cản giá chuyển hướng .................... 56
Hình 3.13. Chuyển vị giá chuyển hướng khi thay đổi hệ số cản giá chuyển hướng
................................................................................................................ 56
Hình 3.14. Chuyển vị bánh xe khi thay đổi hệ số cản giá chuyển hướng ................ 56
Hình 3.15. Hệ số động lực học khi thay đổi hệ số cản bánh xe ............................. 58
Hình 3.16. Chuyển vị tấm theo phương

X

khi thay đổi hệ số cản bánh xe ............. 59

Hình 3.17. Chuyển vị tấm theo phương y khi thay đổi hệ số cản bánh xe ............. 59
Hình 3.18. Chuyển vị thân xe khi thay đổi hệ số cản bánh xe ................................. 60
Hình 3.19. Chuyển vị giá chuyển hướng khi thay đổi hệ số cản bánh xe ................ 60

Hệ số động lực học khi thay đổi độ cứng bánh xe ................................. 70

Hình 3.34.

Chuyển vị tấm theo phương

Hình 3.35.

Chuyển vị tấm theo phương y khi thay đổi độ cứng bánh xe ............. 71

Hình 3.36.

Chuyển vị thân xe khi thay đổi độ cứng bánh xe................................... 72

Hình 3.37.

Chuyển vị giá chuyển hướng khi thay đổi độ cứng bánh xe.................. 72

Hình 3.38.

Chuyển vị bánh xe khi thay đổi độ cứng bánh xe .................................. 72

Hình 3.39.

Hệ số động lực học khi thay đổi khối lượng thân xe ............................. 74

Hình 3.40.

Chuyển vị tấm theo phương


Hình 3.47. Chuyến vị tấm theo phương y khi thay đối khối lượng giá chuyến
hướng ...................................................................................................... 79
Hình 3.48.

Chuyến vị thân xe khi thay đối khối lượng giá chuyến hướng .............. 80

Hình 3.49. Chuyến vị giá chuyến hướng khi thay đối khối lượng giá chuyến
hướng ...................................................................................................... 80
Hình 3.50.

Chuyến vị bánh xe khi thay đối khối lượng giá chuyến hướng ............. 80

Hình 3.51.

Hệ số động lực học khi thay đổi khối lượng bánh xe ............................ 82

Hình 3.52.

Chuyến vị tấm theo phương X khi thay đối khối lượng bánh xe ............ 83

Hình 3.53.
Hình 3.54.

Chuyển vị tấm theo phương y khi thay đổi khối lượng bánh xe ............ 83
Chuyến vị thân xe khi thay đối khối lượng bánh xe .............................. 84


XI

Hình 3.55. Chuyển vị giá chuyển hướng khi thay đổi khối lượng bánh xe ............... 84


Hình dạng 3D của tấm nổi khi vận tốc

xe V - 0.2^,, ......................... 90

Hình 3.64.

Hình dạng 2D của tấm nổi khi vận tốc

xe V - 0.2^,, ......................... 90

Hình 3.65.

Hình dạng 3D của tấm nổi khi vận tốc xe V - O.óC^n ......................... 91

Hình 3.66.

Hình dạng 2D của tấm nổi khi vận tốc xe V - O.óC^n ......................... 91

Hình 3.67.

Hình dạng 3D của tấm nổi khi vận tốc xe V - l.oc^n ......................... 92

Hình 3.68.

Hình dạng 2D của tấm nổi khi vận tốc xe V - l.oc^n ......................... 92

Hình 3.69.

Hình dạng 3D của tấm nổi khi vận tốc xe V -1.4(7^ .............................. 93

Hình 3.76.

Chuyển vị thân xe khi thay đổi module đàn hồi .................................... 97

Hình 3.77.

Chuyến vị giá chuyến hướng khi thay đối module đàn hồi ................... 97

Hình 3.78.

Chuyển vị bánh xe khi thay đổi module đàn hồi ................................... 97

Hình 3.79.

Hệ số động lực học khi thay đổi chiều dày tấm ..................................... 99

Hình 3.80.

Chuyến vị tấm theo phương X khi thay đối chiều dày

tấm ................ 100

Hình 3.81.

Chuyến vị tấm theo phương y khi thay đối chiều dày

tấm ................ 101


Xll

chuyển vị ứng giá trị k2 đầu tiên khi thay đổi độ cứng giá chuyển
hướng ..................................................................................................... 69
Bảng 3.11. Ket quả chuyển vị cực đại, độ lệch giữa chuyển vị ứng k3 lúc sau với
chuyển vị ứng giá trị k3 đầu tiên khi thay đổi độ cứng bánh xe ............. 73


XIV

Bảng 3.12. Kết quả chuyển vị cực đại, độ lệch giữa chuyển vị ứng n\ lúc sau với
chuyển vị ứng giá trị n\ đầu tiên khi thay đổi khối lượng thân xe
............................................................................................................... 77
Bảng 3.13. Kết quả chuyển vị cực đại, độ lệch giữa chuyển vị ứng WÍ2 lúc sau
với chuyển vị ứng giá trị m2 đầu tiên khi thay đổi khối lượng giá
chuyển hướng ........................................................................................ 81
Bảng 3.14. Kết quả chuyển vị cực đại, độ lệch giữa chuyển vị ứng m3 lúc sau với
chuyển vị ứng giá trị m3 đầu tiên khi thay đổi khối lượng bánh xe ...... 85
Bảng 3.15. Kết quả chuyển vị cực đại, độ lệch giữa chuyển vị ứng V lúc sau với
chuyển vị ứng giá trị V đầu tiên khi thay đổi vận tốc xe ....................... 89
Bảng 3.16. Kết quả chuyển vị cực đại, độ lệch giữa chuyển vị ứng E lúc sau với
chuyển vị ứng giá trị E đầu tiên khi thay đổi module đàn hồi ............... 98
Bảng 3.17. Kết quả chuyển vị cực đại, độ lệch giữa chuyển vị ứng h lúc sau với
chuyển vị ứng giá trị h đầu tiên khi thay đổi chiều dày tấm
............................................................................................................... 10
2


XV

MÔT SỐ KÝ HIÊU VIẾT TẮT
•

Q4

Phần tử tứ giác 4 nút (Quadrilateral four-node element)

VLFS

Kết cấu tấm nổi siêu lớn (Very Large Floating Structures)

Ma trận và Vector

K

Vector độ cong

c
c

Ma trận cản tổng thể

d

Vector chuyển vị nút của phần tử

K

Ma trận độ cứng tổng thể

K

Ma trận độ cứng phần tử

a

Hệ số cản vật liệu

A

Góc xoay của tấm quay quanh trục y

A

Góc xoay của tấm quay quanh trục X

r

Hệ số cản ảo

V

Hệ số Poisson của vật liệu

Pp

Khối luợng riêng của vật liệu tấm

K

Đạo hàm riêng bậc một của hàm ệ theo biến X

ịxx


L

Chiều dài tấm theo phuơng X
Chiều dài miền khảo sát

L

o

Khối luợng của thân xe, giá chuyến huớng và bánh xe
u, V, w

Chuyển vị của tấm theo phuơng I, )’ và z

V

Vận tốc xe


Tồng quan

1

CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN
1.1

Giới thiêu
m


tính toán và mất khá nhiều thời gian.
Trong Luận văn này, bài toán tấm nổi dài vô hạn sẽ được giải quyết nhanh hơn và
ít tốn kém hơn bằng phương pháp phần tử chuyển động MEM. Phương phảp này có
những thuận lợi sau: hệ nhiều bậc tự do dỉ động sẽ không bao giờ đến biên vì phần tử
được đề xuất luôn chuyển động. Điểm thuận lợi thứ hai là hệ nhiều bậc tự do di động
sẽ không phải di chuyển từ phần tử này đến phần tử khảc, do đó tránh được việc cập
nhật vector tải trọng. Điểm thuận lợi thứ ba là phương pháp này cho phép phần tử hữu
hạn cố kích thước không bằng nhau và điều này cố thể hữu ích khi các hệ nhiều bậc tự
do di động tác dụng tại các điểm tùy ý. Nghiên cứu này cho tháy MEM là phương pháp
thích hợp để phân tích các bài toán động lực học cho kết cấu tấm nổi dài vô hạn.


Tổng quan

3
Hệ gổm uhiều bậc tự do đi động

Đáy biển

Hình 1.3. Mô hình hệ nhiều bậc tự do di động và phần tử tấm cố định (FEM)
Hệ gồm nhiều bậc tự do cô' định

Đáy biển

Hình 1.4. Mô hình hệ nhiêu bậc tự do cô định và phân tử tâm dỉ động (MEM)


Tổng quan

1.2

nhiều bậc tự do di động tác dụng vào kết cấu tấm nổi và sự biến dạng được giới hạn
trong vùng có độ dài Ảc.
Theo đó nếu chiều dài của kết cấu nhỏ hơn chiều dài đặc trưng thì ứng xử của kết cấu
tấm nổi là chuyển động cứng tuyệt đối, nếu nó lớn hơn chiều dài đặc trưng như trong
VLFS thì phản ứng của kết cấu tấm nối là biến dạng đàn hồi.


Tồng quan

5

TTTTl
Tầu Thông thường

Hình 1.5. Phản ứng toàn phần của tàu thông thường dưới tác dụng
của hệ nhiều bậc tự do di động

Hình 1.6. Phản ứng toàn phần của tấm dưới tác dụng
của hệ nhiều bậc tự do di động