1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẶNG NGUYỄN UYÊN PHƯƠNG NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CẦU CẢNG THỌ QUANG, THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG KHI CHỊU VA ĐẬP CỦA TÀU THUỶ Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN XUÂN TOẢN Phản biện 1: TS TRẦN ĐÌNH QUẢNG Phản biện 2: TS ĐẶNG VIỆT DŨNG Chuyên ngành : Xây dựng công trinh thủy Mã số : 60.58.40 Luận văn ñược bảo vệ Hội ñồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật, họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 19 tháng 10 năm 2012 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Có thể tìm hiểu luận văn tại: Đà Nẵng - Năm 2012 - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng 3 MỞ ĐẦU lực học trụ cầu cảng tác dụng tải trọng va chạm tàu thuỷ cập bến nội dung quan trọng cấp thiết Tính cấp thiết đề tài Bài tốn phân tích dao động kết cấu cơng trình nói chung tác dụng tải trọng ñộng ñã thu hút ñược quan tâm nhiều nhà khoa học nhiều nước giới Đặc biệt xu phát triển, hệ thống ngành xây dựng nước giới nói chung Việt Nam nói riêng ngày đại mặt Các phương tiện vận tải ñường thủy tăng nhanh, ña dạng, phức tạp, nhiều chủng loại, khối lượng tốc ñộ di chuyển ngày cao Tác động chúng lên cơng trình trở nên phức tạp theo chiều hướng bất lợi Vì tốn phân tích hiệu ứng động lực học kết cấu cầu cảng tác dụng tải trọng va chạm tàu thủy cập bến nội dung quan trọng cấp thiết Sự làm việc phức tạp trụ cầu cảng nên vấn ñề thiết kế kết cấu hợp lý quan trọng có ý nghĩa nhiều mặt như: khả chịu lực, tiết kiệm chi phí, tuổi thọ kết cấu…vv Đặc biệt nghiên cứu làm việc kết cấu cầu cảng tác dụng lực va chạm tàu cập bến cần thiết Trong luận văn học viên muốn ñề cập ñến nội dung nghiên cứu theo mơ hình tương tác động lực tải trọng va chạm tàu thuỷ với kết cấu trụ cầu cảng Áp dụng nghiên cứu dao ñộng cầu cảng Thọ Quang thành phố Đà Nẵng chịu va ñập tàu thuỷ Cảng Thọ Quang ñược xây dựng ñể tiếp nhận, khai thác tàu dầu có trọng tải lớn từ 3000DWT ñến 10000DWT, chịu lực va sà lan dầu 300DWT, tiếp nhận tải trọng khai thác bến 1T/m2, Mục tiêu nghiên cứu Trong luận văn tập trung nghiên cứu vấn ñề sau: - Nghiên cứu xây dựng mơ hình tương tác động lực tải trọng va chạm tàu thuỷ với kết cấu trụ cầu cảng - Nghiên cứu ứng dụng sở lý luận phương pháp phân tích động, phương pháp số cơng cụ tính tốn đại vào phân tích kết cấu cơng trình cầu cảng tác dụng tải trọng va chạm tàu thuỷ cập bến - Đưa khuyến cáo phương án cấu tạo kết cấu cho vừa an toàn vừa hiệu Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu dao ñộng cầu cảng Thọ Quang – Đà Nẵng chịu va đập tàu thủy có trọng tải 10.000DWT xe nâng thiết bị 2,5T theo nguồn thơng tin tài liệu số [8] Vì Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu cụ thể luận văn sau: - Nghiên cứu lý thuyết mơ hình tương tác động lực học tải trọng va tàu kết cấu cầu cảng Trong mơ hình phân tích dao động kết cấu cầu xem mơ hình khối lượng - Xây dựng thuật tốn phân tích dao động kết cấu cầu tác dụng tải trọng va tàu theo mơ hình tương tác ñộng lực học kết cấu cầu tải trọng va tàu di động mơ hình khối lượng - Áp dụng phân tích ảnh hưởng số tham số mơ hình tương tác động lực học ñến dao ñộng kết cấu cầu cảng: tốc ñộ khối lượng tàu thủy cập bến …vv nói cầu cảng Thọ Quang cơng trình cảng lớn cho phép tàu có tải trọng lớn cập bến, lực va chúng lên trụ cầu cảng lớn Vì việc nghiên cứu phân tích hiệu ứng động Ý nghĩa khoa học thực tiển ñề tài Va chạm tàu có tải trọng lớn vào kết cấu cầu cảng thường nguy hiểm, dẫn đến phá hoại phần tồn cơng trình Để khơng bị hư hỏng kết cấu đơn giản tính tốn, kỹ sư thiết kế thường phân tích gần theo phương pháp tĩnh với hệ số an toàn cao Điều làm tăng chi phí xây dựng cơng trình Để có tham số xác thiết kế có giải pháp thích hợp để đảm bảo cơng trình vừa bền vững với chi phí xây dựng hợp lý, cần có nghiên cứu đầy đủ theo mơ hình tương tác động lực Bài tốn phân tích hiệu ứng ñộng lực học kết cấu cầu cảng tác dụng tải trọng va chạm tàu thủy cập bến nội dung quan trọng, có ý nghĩa khoa học thực tiễn lớn Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN Cấu trúc luận văn Luận văn bao gồm phần mở ñầu, kết luận kiến nghị, tài liệu tham khảo chương sau : Chương 1: Tổng quan lý thuyết tính tốn va chạm va chạm tàu vào cầu cảng Chương 2: Xây dựng mơ hình tương tác phương trình vi phân dao động Chương 3: Thuật tốn phân tích dao động cầu cảng tác dụng tải trọng va chạm Chương 4: Áp dụng phân tích ảnh hưởng tham số ñến dao ñộng cầu cảng Thọ Quang chịu lực va chạm tàu VA CHẠM VÀ VA CHẠM CỦA TÀU VÀO CẦU CẢNG 1.1 Tình hình nghiên cứu dao ñộng kết cấu cầu va chạm tàu giới nước 1.1.1 Trên giới Hiện giới có phần mềm thường dùng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích hỗ trợ cho việc tính tốn phân tích dao động kết cấu dựa mơ hình thực tế có xét đến yếu tố vật lý người sử dụng khai báo, phần mềm có giá thành cao Abaqus, Nastran Ansyu.Geyer lý bảo mật nên học viên chưa có điều kiện tiếp cận với phần mềm vấn ñề ñược thực tương lai Va chạm phá huỷ vật rắn quan trọng ngành kỹ thuật Phá huỷ vật rắn nổ va chạm ñược giáo sư Fourney (1993), Romero (2003) Bên cạnh địi hỏi việc thiết kế kết cấu chống lại va chạm ñược áp dụng phổ rộng Nghiên cứu va chạm lĩnh vực kỹ thuật cấp độ đối tượng có kích thước lớn giáo sư Frémond đưa (2007) Đặc tính va chạm trường vận tốc không liên tục theo thời gian Vết nứt vật rắn va chạm xuất vật rắn, ñặc ñiểm việc xuất vết nứt diễn biến không gian với trường vận tốc khơng liên tục q trình va chạm sau va chạm Hệ thống chống va chạm ngành chế tạo ơtơ giới thiệu hệ thống cảnh báo va chạm hệ thống phanh tự ñộng gặp nguy va chạm cao ñược giáo sư Tamura cộng (2001) giáo sư Jansson cộng (2002) Chính độ phức tạp vấn ñề va chạm hậu gây lớn thông thường va chạm xảy làm phá hoại hư hỏng cấp ñộ khác Việc phịng chống va chạm xảy khó khăn nên vấn ñề cần ñược xem xét ñối với ñối tượng ñiều kiện cụ thể Việc nghiên cứu hiệu ứng va chạm tàu vào cầu cảng Thọ Quang nhằm mực đích đưa giải pháp đảm bảo an tồn cho cơng trình cầu cảng Thọ Quang chịu va chạm tàu cập bến làm giảm thiểu tổn thất điều có ý nghĩa lớn mặt khoa học tính thực tiễn 1.1.2 Ở nước Theo Cục thông tin khoa học công nghệ quốc gia “National Agency for Sience and Technology Information” tài liệu khoa học công nghệ Việt Nam, chưa thấy có báo tác giả Việt Nam nghiên cứu va chạm tàu vào cơng trình cầu cảng hay nghiên cứu dao động trụ cầu Tuy nhiên có số tác giả ñặt vấn ñề nghiên cứu nội dung 1.2 Tổng quan lý thuyết va chạm 1.2.1 Khái niệm “va chạm” Va chạm: q trình động lực học đặc biệt vận tốc vật biến ñổi rõ rệt ñộ lớn phương chiều thời gian vơ bé 1.2.2 Các đặc ñiểm giả thiết ñơn giản hoá Thời gian va chạm: Vận tốc gia tốc: Nếu gọi l ñoạn ñường dịch chuyển thời gian va chạm τ vật thì: l = ∫ v.dt = vtbτ Lực xung lực va chạm: (1.1) N N(t) τ t Hình 1.1: Biểu diễn trình diễn biến lực va chạm Áp dụng ñịnh lý biến thiên ñộng lượng cho hệ thời gian va chạm viết: t t r r mk ∆v k = ∫ Fk dt + ∫ N k dt (k=1,2…n) (1.2) t Trong đó: xung lực lực thường r F ∫ k dt nhỏ so với xung lực va chạm nên ñược bỏ qua nghiên cứu Ta viết biểu thức biến thiên ñộng lượng hệ va chạm sau: t r r mk ∆v k = ∫ N k dt = s (1.3) Biểu thức (1-1) phương trình trình va chạm Biến dạng hệ số hồi phục: Căn vào mức ñộ hồi phục vật ta chia va chạm thành ba loại: - Va chạm mềm: - Va chạm hoàn tồn đàn hồi: - Va chạm khơng hồn tồn đàn hồi: 1.2.3 Các ñịnh lý tổng quát ñộng lực học áp dụng vào va chạm 1.2.3.1 Định lý biến thiên động lượng 1.2.3.2 Định lý biến thiên mơmen động lượng 1.2.3.3 Định lý ñộng 10 1.2.4 Bài tốn va chạm khơng phá huỷ áp dụng cho va Chương 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TƯƠNG TÁC VÀ chạm tàu vào trụ cầu 1.3 Kết luận mục tiêu nghiên cứu cảu luận văn Bài toán phân tích dao động tải trọng va tàu cần thiết giai ñoạn phát triển mạnh phương tiện vận chuyển theo ñường biển nội dung quan trọng có ý nghĩa thực tiễn lớn Chính luận văn nghiên cứu hiệu ứng va chạm tàu vào cầu cảng ñặc biệt cầu cảng lớn nhập xăng dầu khí hố lỏng cầu cảng Thọ Quang ý nghĩa Luận văn tập trung nghiên cứu vấn ñề sau: Nghiên cứu mơ hình tương tác động lực học lực va tàu vào trụ cầu cảng tải trọng tàu nghiên cứu vật có khối lượng tải trọng tàu chứa hàng lớn có vận tốc di chuyển theo thiết kế cho phép trường hợp tai nạn xảy Nghiên cứu sử dụng phần mềm Sap 2000 V14 ñể mơ hình hố làm việc kết cấu cầu cảng từ tìm thơng số thiết lập lên phương trình vi phân dao động trụ cầu có xét đến yếu tố lực va tàu Nghiên cứu sử dụng phầm mềm Maple 13 việc phân tích tốn dao động trụ cầu chịu va chạm tàu thuỷ Giá trị lực va tàu thời gian va chạm tàu tính tốn dựa vào việc phân tích áp dụng tiêu chuẩn thiết kế cầu ñường hành Việt Nam 22TCN 272-05 Nội dung nghiên cứu luận văn góp phần giúp cho kỹ sư làm tài liệu tham khảo q trình thiết kế cơng trình cầu cảng chịu tải trọng va chạm tàu thuỷ Việt Nam PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DAO ĐỘNG CỦA TRỤ CẦU CẢNG CHỊU TẢI TRỌNG VA CHẠM TÀU 2.1 Mở ñầu 2.2 Tổng quan mơ hình phân tích tĩnh va chạm tàu vào trụ cầu theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 2.2.1 Tác ñộng lực va chạm 2.2.1.1 Thiết kế kết cấu phần cơng trình cầu 100% lực va thiết kế phương song song với ñường tim luồng vận tải 50% lực va thiết kế phương vng góc với ñường tim luồng vận tải 2.2.1.2 Thiết kế kết cấu phần cơng trình cầu 2.2.1.3 Bảo vệ phần kết cấu phần cơng trình cầu 2.3 Xây dựng mơ hình tương tác động lực tàu kết cấu trụ cầu cảng Mơ hình phân tích va tàu hình 2.4 Tu va chảm M +3.60 Trủ chäúng va Ps(t) +0.6 MÐTN P=Mg.g Pháưn khäúi lỉåüng cc truưn vãư trng tám bn Lc/2 Lc Pháưn khäúi lỉåüng cc truưn vãư ngm -8.40 6d L Lc/2 10 13 -26.40 14 Hình 2.1: Mơ hình phân tích va tàu vào trụ cầu cảng 11 12 2.4 Xây dựng phương trình vi phân dao động kết cấu trụ cầu DWT = trọng tải tàu (Mg) v = vận tốc va tàu (m/s) 2.4.4.2 Lực va chạm thời gian va chạm tàu vào trụ cầu theo lý thuyết va chạm Xét tàu có khối lượng Mg di chuyển với vận tốc “v” va chạm vào trụ chóng va Hình 2.5 chịu tải trọng va chạm tàu thuỷ Với hệ phân tích mơ hình khối lượng dạng phương trình chuyển động theo Đalambe sau: M y + C y + K y = PS (t ) (2.7) Trong đó: M: khối lượng; K: độ cứng C: hệ số cản hệ, có xét đến tính chất cản nhớt vật liệu tính chất cản ngồi yếu tố ảnh hưởng tác động bên ngồi y Tu va chảm M Lc 6d δ 10 2.4.3 Xác ñịnh hệ số cản C Luận văn xác ñịnh hệ số cản cho hệ dựa ngun lý xây dựng cơng thức Rayleigh 2.4.4 Xác định lực va chạm thời gian va chạm tàu thuỷ vào trụ cầu cảng 2.4.4.1 Lực va tàu vào trụ cầu theo tiêu chuẩn 22TCN-272-05 - Lực va ñâm thẳng ñầu tàu vào trụ phải ñược lấy theo công thức 3.14.5-1 PS(t) = 1.2x105 v DWT = L -8.40 Lc/2 2.4.2 Xác định độ cứng K đó: Ps(t) Lc/2 MÐTN P=Mg.g 2.4.1 Xác ñịnh khối lượng M Dựa vào thể tích vật liệu dung trọng vật liệu Độ cứng K xác định thơng qua δ: K = Truû chäúng va +0.6 &y& , y& , y: gia tốc, vận tốc biên ñộ dao ñộng khối lượng M Ps(t): lực va tàu tác dụng vào hệ +3.60 Ps(t) lực va tàu tĩnh tương đương (N) 13 -26.40 14 Hình 2.2: Mơ hình xem xét va tàu vào kết cấu trụ cầu chống va Trạng thái 0: (Chưa va chạm) Theo phương OX (nằm ngang) Động lượng hệ: (3.14.5-1) Trong đó: Qox = Mg × v v : vận tốc tàu (m/s) (2.8) 13 14 ∆t : thời gian va chạm (s) Chương 3: THUẬT TỐN PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CỦA Mg : khối lượng tàu Trạng thái 1: (Sau va chạm) Động lượng hệ là: Q1X = (2.9) Xung lượng hệ qúa trình va chạm tính theo giá trị trung bình lực Ps(t): S= -Ps(t).∆t (ngược chiều 0x) (2.10) Áp dụng ñịnh lý biến thiên động lượng kết hợp (2.7), (2.8), (2.9) ta có: Q1x – Qox = S = Mg × v
-Ps(t)∆t = Mg × v
giá trị Trong đó: Ps (t ) = ∆t = M gv ∆t Mg ×v (2.11) TRỤ CẦU DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG VA CHẠM CỦA TÀU THỦY 3.1 Mở ñầu Trong luận văn giải phương trình vi phân dao động tồn hệ thống thực phần mềm Maple v.13 có sử dụng tốn tử laplace kết hợp với phương pháp Runge-KuttaMersion với độ xác cấp 3.2 Phương trình vi phân dao động tổng qt Phương trình vi phân dao động cho tồn hệ M y + C y + K y = PS (t ) (2.12) Ps (t ) Ps(t): lực va tàu vào trụ cầu - KN ∆t : thời gian va chạm (s) Mg : khối lượng tàu (DWT) 2.5 Kết luận Phương trình vi phân dao động trụ cầu chịu tải trọng va tàu ñược thiết lập nguyên lý Đalamber Độ cứng “K” xác định phương pháp mơ tả mơ hình làm việc trụ chống va dạng mơ hình khơng gian có xét đến làm việc cả nhóm cọc làm việc cọc đất phần mềm chuyên dụng Sap 2000 V14 Khối lượng hệ ñược quy trọng tâm xem chất điểm q trình phân tích (2.7) Trong đó: Các đại lượng trình bày mục 2.4 3.3 Thuật toán tổng quát xây dựng giải hệ phương trình vi phân dao động 3.3.1 Thuật tốn xác định khối lượng M sau 3.3.2 Thuật tốn ñể xác ñịnh ñộ cứng K sau 3.3.3 Thuật tốn xác định hệ số cản C sau 3.3.4 Thuật tốn xác định lực va chạm tàu 3.3.5 Thuật tốn tổng qt xác định biên độ dao động “y” 3.4 Kết luận: Trong chương học viên ñã ñưa thuật tốn xác định thơng số phương trình vi phân dao động tổng qt thuật tốn xác định biên độ dao động hệ Từ việc tìm biểu đồ dao động trụ cầu chống va tàu thuỷ va chạm cho giá trị biên độ dao động lớn Thơng qua giá trị biên ñộ dao ñộng lớn giúp ñưa ñược nhận ñịnh khai thác cơng trình cầu cảng đảm bảo an tồn 15 16 Chương 4: ÁP DỤNG PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA 4.2.4 Xác ñịnh lực va tàu vào trụ cầu cảng thời gian va chạm 4.2.4.1 Xác ñịnh lực va tàu thời gian va chạm theo phương dọc vào trụ chống va 4.2.4.2 Xác ñịnh lực va tàu thời gian va chạm theo phương ngang vào trụ chống va CÁC THAM SỐ ĐẾN DAO ĐỘNG CỦA CẦU CẢNG THỌ QUANG KHI CHỊU TẢI TRỌNG VA CHẠM CỦA TÀU 4.1 Mở đầu 4.2 Áp dụng phân tích trụ chống va cầu cảng Thọ Quang Đà Nẵng 4.2.1 Bài tốn tìm độ cứng K phần mềm Sap 2000 V14 Bước 01: Chọn đơn vị tính Bước 02: Tạo sơ đồ tính Bước 03: Khai báo vật liệu Bước 04: Khai báo tiết diện Bước 05: Gán tiết diện cho hệ thống Bước 06: Khai báo trường tải trọng Bước 07: Tổ hợp tải trọng Bước 08: Gán tải trọng Bước 09: Phân tích chạy chương trình Bước 10: Đọc kết Kết Độ cứng trụ chống va số K=380,807312(KN/mm) Độ cứng trụ chống va số K=366,032211(KN/mm) 4.2.2 Xác ñịnh khối lượng M chất điểm khảo sát Kết tính tốn cho trụ chống va số số 2: M = 8925 (KN): 4.2.3 Xác ñịnh hệ số cản C Kết cho Hệ số cản trụ chống va số 1: C = 600,36053(KN/s) Hệ số cản trụ chống va số 2: C= 586,20533(KN/s) 4.2.5 Phương trình vi phân dao ñộng trụ chống va cầu cảng Thọ Quang Phương trình vi phân tổng qt hệ thể M y + C y + K y = PS (t ) (2.7) Thay thông số vào (2.7) Trụ chống va số 1: 8925 y + 600,360527 y + 380,8073115 y = PS (t ) (4.6) Trụ chống va số 2: 8925 y + 586,20533 y + 366,032211 y = PS (t ) (4.7) 4.2.6 Phân tích dao động trụ chống va cầu cảng Thọ Quang Sử dụng phầm mềm phân tích tốn học Maple v.13 để giải tốn với bước sau Công cụ gọi hàm thao tác toán học Nhập hàm số vào phần mềm Khai báo điều kiện ban đầu cho phương trình Tìm hàm biên độ dao động Gọi hàm số ñể vẽ ñồ thị Vẽ ñồ thị hàm số 4.2.6.1 Phân tích dao động trụ chống va số cầu cảng Thọ Quang chịu lực va tàu theo phương ngang, dọc tàu vào trụ Tàu có trọng tải Mg = 10.000DWT, vận tốc cập cảng thiết kế Vtt=21,96(Km/h) ta có 8925 y+ 600,360527y+ 380,8073115.y = 17 18 t