Đề tài Nghiên cứu tương tác giữa ống dẫn và nền san hô

1 Më ®Çu 1. TÝnh cÊp thiÕt cña ®Ò tµi: Đặc điểm nổi bật của các loại công trình biển đảo nói chung là điều kiện thi công khó khăn, chịu các loại tải trọng và môi trường khắc nghiệt, song có ý nghĩa rất lớn về mặt an ninh quốc phòng và kinh tế biển. Do đó, nghiên cứu, lựa chọn trước các giải pháp tối ưu cho các công này phục vụ cho thời bình, thời chiến và cả phát triển kinh tế quốc dân là vấn đề cấp bách hiện nay. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu về vật liệu san hô và nền san hô làm số liệu đầu vào cho việc xây dựng mô hình, phương pháp tính, tác giả lựa chọn vấn đề “Nghiên cứu tương tác giữa ống dẫn và nền san hô” làm nội dung nghiên cứu của luận án. Môc ®Ých cña luËn ¸n: - Nghiên cứu tổng quan về san hô và bài toán tương tác giữa kết cấu công trình dạng ống dẫn và nền, xây dựng mô hình san hô phục vụ cho việc giải bài toán tương tác giữa ống dẫn và nền san hô. - Xây dựng, đề xuất mô hình, phương pháp giải bài toán tương tác giữa ống dẫn và nền san hô dưới tác dụng của tải trọng: sóng xung kích do nổ hoặc kết hợp đồng thời tải trọng sóng xung kích và một số dạng áp lực trong của ống. - Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố hình học, tải trọng, vật lý đến sự làm việc của ống dẫn trong nền san hô. - Góp phần lựa chọn các giải pháp hợp lý tăng khả năng làm việc của ống dẫn trong nền san hô phục vụ an ninh quốc phòng và kinh tế biển. 2. §èi t­îng, ph¹m vi nghiªn cøu cña luËn ¸n: - Tập hợp, phân tích những kết quả nghiên cứu về tính chất cơ lý của vật liệu san hô và nền san hô ở một số đảo thuộc quần đảo Trường Sa. - Nghiên cứu giải bài toán tương tác giữa ống dẫn và nền san hô theo mô hình bài toán phẳng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH). - Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của ống dẫn trong nền san hô. - Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình ống dẫn trong nền san hô chịu tải trọng do nổ trong nền và nổ trong không khí gây ra. 3. Néi dung luËn ¸n: Luận án bao gồm 117 trang thuyết minh, trong đó có 25 bảng, 63 đồ thị, hình vẽ, 83 tài liệu tham khảo, 21 trang phụ lục. Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của đề tài, mục đích, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của luận án. 2 Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu về san hô và bài toán tương tác giữa ống dẫn và nền. Chương 2: Tính tương tác giữa ống dẫn và nền san hô bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Chương 3: Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của ống dẫn trong nền san hô. Chương 4: Nghiên cứu phản ứng động của ống dẫn trong nền san hô bằng thực nghiệm. Kết luận và kiến nghị: Trình bày các kết quả chính, những đóng góp mới của luận án và các kiến nghị xuất phát từ vấn đề nghiên cứu. 4. Ph­¬ng ph¸p nghiªn cøu: Nghiên cứu bằng lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. Khi nghiên cứu lý thuyết để tính toán kết cấu, sử dụng phương pháp PTHH. Phương pháp thực nghiệm được sử dụng để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu bằng lý thuyết và xem xét phản ứng động của ống dẫn trong nền san hô dưới tác dụng của sóng xung kích (SXK) do nổ. 5. CÊu tróc luËn ¸n: Phần mở đầu, 4 chương, kết luận chung, tài liệu tham khảo và phụ lục. Néi dung chÝnh cña luËn ¸n Ch­¬ng 1: tæng quan t×nh h×nh nghiªn cøu vÒ san h« vµ bµi to¸n t­¬ng t¸c gi÷a èng dÉn vµ nÒn Trình bày các kết quả nghiên cứu trong nước và trên thế giới về vật liệu san hô, nền san hô và các mô hình, phương pháp tính tương tác giữa kết cấu ống dẫn và nền nói chung. Từ nội dung nghiên cứu, trên cơ sở các vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu và phát triển, tác giả luận án tập trung vào vấn đề: “Nghiên cứu tương tác giữa ống dẫn và nền san hô”. Theo đó, luận án sẽ tập trung giải quyết các nội dung chủ yếu sau: 1) Nghiên cứu tổng quan về san hô, nền san hô và bài toán tương tác giữa kết cấu dạng ống dẫn và nền nói chung và đối với nền san hô nói riêng nhằm làm rõ tính cấp thiết, phương pháp nghiên cứu của luận án. 2) Xây dựng mô hình, phương pháp giải bài toán tương tác giữa ống dẫn và nền san hô theo mô hình bài toán phẳng chịu tác dụng đồng thời của áp lực trong ống và sóng xung kích do bom đạn nổ gây ra. 3 3) Xây dựng hệ phương trình, thuật toán và chương trình tính tương tác giữa ống dẫn và nền san hô theo mô hình bài toán phẳng, trong đó kể đến sự tách, trượt giữa ống dẫn và nền, giữa lớp đất bù và nền chịu tác dụng đồng thời của: áp lực trong của ống, tải trọng sóng xung kích do bom đạn nổ gây ra bằng phương pháp PTHH. 4) Khảo sát số trên kết cấu cụ thể, nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến sự làm việc của ống dẫn trong nền san hô, đưa ra các kiến nghị phục vụ tính toán, thiết kế loại kết cấu này. 5) Nghiên cứu thực nghiệm xác định phản ứng động của ống dẫn trong nền san hô chịu tác dụng của SXK do nổ gây ra nhằm kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính. Ch­¬ng 2: tÝnh T­¬ng t¸c gi÷a èng dÉn vµ nÒn san h« B»ng ph­¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n 2.1. Đặt vấn đề Đặc thù của vật liệu san hô và nền san hô là loại vật liệu dòn, quan hệ ứng suất – biến dạng gần như tuyến tính và là loại vật liệu làm việc một chiều (chỉ chịu nén, không chịu kéo), do đó khi tính toán các công trình làm việc trong nền san hô thì một trong những điểm khó là đưa ra được mô hình tính thích hợp, thể hiện được tính chất này của nền - đặc biệt đối với bài toán tương tác động lực học. Điều này sẽ được khắc phục khi ta đưa vào phần tiếp xúc giữa kết cấu và nền một loại phần tử đặc biệt, đó là phần tử tiếp xúc. Trong chương này, nghiên cứu tính toán bài toán tương tác giữa ống dẫn và nền san hô, trong đó tập trung việc xây dựng mô hình, đề xuất phương pháp giải, xây dựng thuật toán, chương trình máy tính, tính toán số, kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính đã lập. 2.2. Đặt bài toán, các giả thiết và phương pháp tính toán Nghiên cứu sự làm việc của ống dẫn trong nền san hô chịu tác dụng đồng thời của áp lực trong ống và SXK do nổ gây ra. Mô hình tính của bài toán đặt ra được xây dựng trên các giả thiết sau: - Vật liệu ống biến dạng đàn hồi tuyến tính. Chỉ nghiên cứu sự làm việc của ống – nền sau khi ống dẫn đã được hạ ổn định vào nền san hô. - Mỗi lớp nền là vật liệu đồng nhất, đẳng hướng, đàn hồi tuyến tính. Lớp đất bù là đồng nhất. 4 - Hệ ống dẫn và nền làm việc trong điều kiện biến dạng phẳng. Liên kết giữa ống dẫn và nền san hô, giữa lớp nền gốc và lớp đất bù được thay thế bằng liên kết nút giữa các phần tử biến dạng phẳng thông qua liên kết với phần tử tiếp xúc. Liên kết tiếp xúc giữa ống dẫn và nền san hô, giữa lớp đất bù và lớp nền gốc là liên kết một chiều. - Bỏ qua ảnh hưởng tốc độ di chuyển dọc trong ống của áp suất. Để giải bài toán, tác giả luận án sẽ sử dụng phương pháp PTHH. 2.3. ThuËt to¸n PTHH gi¶i bµi to¸n 2.3.1. Mô hình PTHH của bài toán Tách từ hệ thực bán vô hạn ra một miền hữu hạn bao gồm ống dẫn và một phần nền gọi là miền nghiên cứu (Hình 2.2), miền nghiên cứu được xác định thông qua phương pháp lặp. Mô hình PTHH thể hiện như trên hình 2.2b, trong đó phần ống dẫn và nền được thay thế bởi phần tử biến dạng phẳng dạng tam giác và tứ giác, còn lớp tiếp xúc giữa bề mặt ống dẫn, giữa lớp đất bù và lớp nền nguyên thổ được thay thế bởi phần tử tiếp xúc phẳng 4 điểm nút. a, Mô hình thực của hệ b, Mô hình tính của hệ Hình 2.2. Mô hình bài toán và sơ đồ tính 5 2.3.2. Các phần tử sử dụng 2.3.2.1. Phần tử tiếp xúc (PTTX): Hình 2.4 biểu diễn mô hình PTTX sử dụng trong luận án. Mô hình hình học là dạng hình chữ nhật 4 hoặc 6 nút (Hình 2.4a). Khi có ứng suất pháp  và ứng suất tiếp  theo các phương  và  trong hệ toạ độ cục bộ phần tử, xuất hiện biến dạng pháp tuyến  và biến dạng tiếp tuyến . a, b, c, Hình 2.4. Sơ đồ phần tử tiếp xúc của Goodman (1  6 là ký hiệu các nút) a, Sơ đồ hình học của phần tử tiếp xúc; b, Quan hệ ứng suất pháp tuyến và biến dạng pháp tuyến; c, Quan hệ ứng suất tiếp tuyến và biến dạng tiếp tuyến Quan hệ số gia ứng suất - biến dạng:  seD               (2.1) Trường hợp biến dạng phẳng:  se k 0 D 0 k           (2.2) với k và k là độ cứng pháp tuyến và phương tiếp tuyến của phần tử. Quan hệ giữa số gia chuyển vị với các số gia biến dạng:   se seB U        , (2.8) Ma trận độ cứng phần tử:       Tse se se seK B D B det J d  (2.9) 2.3.2.2. Phần tử biến dạng phẳng: Phần tử biến dạng phẳng được sử dụng ở đây là loại phần tử tam giác 3 điểm nút và tứ giác 4 điểm nút, mỗi nút có 2 bậc tự do ui, vi. Các phương trình quan hệ đối với loại phần tử này đã được trình bày trong các tài liệu về phương pháp PTHH, ở đây tác giả xin phép không trình bày. 2.3.3. Phương trình giải bài toán tương tác ống dẫn – nền san hô chịu tải trọng động Dưới tác dụng của tải trọng động, hệ kết cấu ống dẫn và nền san hô chuyển động với phương trình có dạng sau: 6             M U C U U K U U R          , (2.31) với:  M - ma trận khối lượng,      C U M K U         ma trận cản: 1 2 2     , 1 2     (1, 2 là 2 tần số đầu tiên trong dao động tự do;  là tỷ số cản kết cấu),    K K U    là ma trận độ cứng,  R là véc tơ ngoại lực nút của hệ. Sau mỗi khoảng thời gian tính, tuỳ thuộc vào trạng thái nội lực trên PTTX, nếu xuất hiện tách, trượt, ma trận độ cứng được cập nhật lại, nghĩa là:    K K U    , do đó    C C U    , lúc này (2.31) là phương trình phi tuyến. 2.3.4. Thuật toán PTHH giải bài toán: Phương trình phi tuyến (2.31) được giải bằng việc kết hợp tích phân trực tiếp Newmark và lặp Newton – Raphson. Sơ đồ thuật toán như hình 2.8. Hình 2.8. Sơ đồ thuật toán giải bài toán tương tác giữa ống dẫn và nền san hô 7 2.5. Chương trình tính và kiểm tra độ tin cậy của chương trình 2.5.1. Giới thiệu chương trình: Với các thuật toán đã nêu trên, tác giả tiến hành lập trình tính toán bài toán tương tác ống dẫn – nền san hô chịu tải trọng động. Chương trình có tên PIPE_CORAL_2011, được viết bằng ngôn ngữ lập trình Matlab. 2.5.2. Kiểm tra độ tin cậy của chương trình: Để kiểm tra độ tin cậy của chương trình PIPE_CORAL_2011 đã lập, tác giả thực hiện theo 2 con đường: - So sánh kết quả tính bằng chương trình đã lập với kết quả bài toán tương tự với công trình đã được tác giả nước ngoài công bố (Tín hiệu 1); - So sánh kết quả tính bằng chương trình đã lập với kết quả nghiên cứu thực nghiệm (Tín hiệu 2). Trong phần này, tác giả tính toán so sánh với công trình của Akinola J. Olarewaju, N.S.V. Kameswara Rao, Md. A. Mannan [25,(2010)] đã công bố (tín hiệu 1). Đây là công trình được các tác giả tính toán bằng phương pháp PTHH theo mô hình khối, trong đó không xét đến sự tách, trượt giữa bề mặt ống dẫn và nền. Việc so sánh với kết quả thí nghiệm, xác định tín hiệu 2 sẽ được tác giả trình bày trong chương 4 của luận án. Tác giả giải bài toán với số liệu xuất phát và điều kiện như trong [25], mô hình bài toán như hình 2.9. Hình 2.9. Mô hình bài toán [25] Thông số nền: Gồm 3 lớp giống nhau, vật liệu đồng nhất, đẳng hướng, môđun đàn hồi biến dạng dài Es = 104Mpa, hệ số Poisson  = 0,3, khối lượng riêng vật liệu s = 4600kg/m3. 8 Thông số của ống dẫn: Đường kính D = 1m, chiều dày t = 0,01m, môđun đàn hồi biến dạng dài Ep = 106Gpa, hệ số Poisson p = 0,2, khối lượng riêng p = 7800kg/m3. Thông số tải trọng: Ngoài tải trọng bản thân, ống chịu áp lực sóng nổ dạng sóng xung kích phân bố đều mặt trong của ống, hàm tải trọng:     max tp t p 1 khi0 t p t 0 khi t             , với pmax = 30Mpa,  = 0,025s. Tính toán với 3 độ sâu khác nhau của ống dẫn, tương ứng với các tỷ số: H/D = 1, H/D = 2, H/D = 3. Kết quả chuyển vị đứng lớn nhất max yU [cm] theo phương đứng của ống dẫn (điểm đỉnh, mặt ngoài ống) được so sánh giữa 2 phương pháp thể hiện như trong bảng 2.3. Bảng 2.3. Kết quả so sánh kiểm tra chương trình tính max yU [cm] Phương pháp H/D = 1 H/D = 2 H/D = 3 Olarewaju, Rao, Mannan [25] 4,08 3,46 2,76 PIPE_CORAL_2011 3,96 3,39 2,71 Sai số (%) 2,94 2,02 1,81 Với sai số từ 1,81% đến 2,94% như kết quả so sánh trên, có thể nhận thấy đây là một tín hiệu khẳng định sự tin cậy của chương trình PIPE_CORAL_2011 đã lập (Tín hiệu 1). 2.6. Kết luận chương 2 Trong chương này đã đạt được các nội dung chính sau: - Xây dựng, đề xuất mô hình và phương pháp giải bài toán tương tác giữa ống dẫn và nền san hô bằng phương pháp PTHH trong đó sử dụng phần tử biến dạng phẳng kết hợp phần tử tiếp xúc mô tả sự tách, trượt giữa kết cấu và nền, giữa phần đất bù với phần nền nguyên thuỷ. - Xây dựng thuật toán, chương trình tính giải bài toán tương tác động lực học giữa ống dẫn và nền san hô. - Tính toán trên ví dụ cụ thể, so sánh kết quả tính với kết quả của tác giả khác trên thế giới, xác định tính tin cậy của chương trình đã lập. 9 Ch­¬ng 3: KH¶O S¸T MéT Sè YÕU Tè ¶NH H¦ëng ®Õn sù lµm viÖc cña èng dÉn trong nÒn san h« 3.1. Đặt vấn đề Trên cơ sở tính toán ví dụ số bài toán ống dẫn làm việc trong nền san hô, trong chương này trình bày kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của ống dẫn cho phép lựa chọn các thông số hợp lý nhằm nâng cao khả năng làm việc của ống dẫn trong nền san hô. 3.2. Ví dụ số 3.2.1. Bài toán 1: Tương tác ống dẫn – nền san hô chịu tác dụng của SXK, khi không có áp lực trong ống Thông số ống dẫn: d = 1,8m, D = 2m, ống nằm trong nền san hô ở độ sâu 4m, vật liệu Ep = 2,1107N/cm2, p = 0,3 và p = 7,8103kg/m3. Tải trọng SXK phân bố đều lên bề mặt nền (hình 3.1),  = 0,05s. Thông số nền: Gồm 4 lớp, đặc trưng cơ lý của vật liệu như bảng 3.1. Góc mở phần đất đào  = 600, chiều dày lớp đệm h = 0,2m. Điều kiện biên: Liên kết gối cố định tại đáy và gối di động theo phương đứng tại biên hai bên. Thời gian tính toán tcal = 4, sai số biên miền nghiên cứu  = 0,5%, sai số tính toán D = 0,25%. Hình 3.1. Mô hình bài toán Hình 3.2. Hàm tải trọng 10 Bảng 3.1. Đặc trưng vật liệu nền san hô Lớp Độ sâu (m) Ef (N/cm2) f f(kg/m3) fms Tỷ số cản  1 2 0,28105 0,22 2,5103 0,21 2 6 2,10105 0,25 2,8103 0,32 3 10 20,0105 0,25 2,9103 0,41 4 16 2,60105 0,25 2,0103 0,47 Đất bù 25,0105 0,25 3,2103 0,45 0,05 Lớp đệm 40,0105 0,24 4,8103 0,45 Kết quả đáp ứng chuyển vị, ứng suất tại các điểm tính thể hiện như trên các hình 3.4, 3.5, 3.6 và 3.7 sau. 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -2 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 Thoi gian t[s] C hu ye n vi U y[ cm ] Diem A Diem B Hình 3.4. Quan hệ chuyển vị yU - t (tại A, B) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Thoi gian t[s] C hu ye n vi U x[ cm ] Diem C Diem D Hình 3.5. Quan hệ chuyển vị xU - t (tại C, D) 11 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Thoi gian t[s] U ng s ua t x ic m ax [N /c m 2] Diem A Diem B Hình 3.6. Quan hệ ứng suất x - t (tại A, B) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -12000 -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 Thoi gian t[s] X ic m ay [N /c m 2] Diem C Diem D Hình 3.7. Quan hệ ứng suất y – t (tại C, D) 3.2.2. Bài toán 2: Tương tác ống dẫn – nền san hô chịu SXK, p = p0 = 5N/cm2 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 Thoi gian t[s] C hu ye n vi d un g U y [c m ] Diem A:p=0 Diem A:p=5 Diem B:p=0 Diem B:P=5 Hình 3.8. Quan hệ chuyển vị Uy – t (tại A, B) 12 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 Thoi gian t[s] C hu ye n vi n ga ng U x[ cm ] Diem C:p=0 Diem C:p=5 Diem D:p=0 Diem D:p=5 Hình 3.9. Quan hệ chuyển vị Ux – t (tại C, D) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 Thoi gian t[s] X ic m ax [N /c m 2] Diem A:p=0 Diem A:p=5 Diem B:p=0 Diem B:p=5 Hình 3.10. Quan hệ ứng suất x – t (tại A, B) 3.2.3. Bài toán 3: Ống dẫn – nền san hô chịu SXK, p(t) = pcos2ft Giải bài toán như trên, biên độ p = 5N/cm2, tần số f = 20Hz. 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 Thoi gian t[s] C hu ye n vi d un g U y [c m ] Diem A:p=0 Diem A:p=5 Diem A:p=pcos(2pif t) Diem B:p=0 Diem B:p=5 Diem B:p=pcos(2pif t) Hình 3.12. Quan hệ Uy – t (tại điểm A, B) 13 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 Thoi gian t[s] C hu ye n vi n ga ng U x[ cm ] Diem C:p=0 Diem C:p=5 Diem C:p=pcos(2pift) Diem D:p=0 Diem D:p=5 Diem D:p=pcos(2pift) Hình 3.13. Quan hệ Ux - t (tại C, D) 3.3. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của ống Để khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến sự làm việc của ống dẫn trong nền san hô, đối với bài toán xuất phát tác giả xét là trường hợp bài toán 2 (mục 3.2.2) đã trình bày ở trên. 3.3.1. Ảnh hưởng của cường độ áp suất trong ống: Giải bài toán với trường hợp áp suất trong p của ống thay đổi từ 0 N/cm2 đến 100N/cm2. Kết quả thể hiện như trên các hình 3.16 đến 3.19: 0 250 500 750 1000 1250 1500 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 Ap suat trong ong p[N/cm2] C hu ye n vi d un g U y m ax [c m ] Diem A Diem B Hình 3.16. Quan hệ maxyU - p tại điểm A và B 14 0 250 500 750 1000 1250 1500 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Ap suat trong ong p[N/cm2] C hu ye n vi U x m ax [c m ] Hình 3.17. Quan hệ maxxU - p tại điểm C 0 250 500 750 1000 1250 1500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Ap suat trong ong p[N/cm2] U ng s ua t ( X ic m ax ) m ax [N /c m 2 ] Diem A Diem B Hình 3.18. Quan hệ maxx - p tại điểm A và B 0 250 500 750 1000 1250 1500 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Ap suat trong ong p[N/cm2] U ng s ua t ( X ic m ay ) m ax [N /c m 2 ] Hình 3.19. Quan hệ maxy - p tại điểm C 15 Nhận xét: Cường độ áp suất trong của ống ảnh hưởng đến chuyển vị và ứng suất tại các điểm tính thuộc ống là không đáng kể. - Chuyển vị đứng tại điểm A giảm, tại điểm B tăng, song mức độ thay đổi không đáng kể (3,6% - tại A, 2,7% - tại B). Trong khi đó chuyển vị ngang tại các điểm C, D tăng với mức độ lớn hơn (2,96 lần). - Ứng suất tại điểm A và B đều có xu hướng tăng, song cũng không nhiều (2,5 lần). Tại điểm C và D, ứng suất giảm không nhiều (27,3%) 3.3.2. Ảnh hưởng của độ cứng lớp đệm: Sự thay đổi độ cứng lớp đệm đàn hồi được xem xét trên cơ sở thay đổi môđun đàn hồi Eb từ 25105N/cm2 đến 50105N/cm2. 2.5 3 3.5 4 4.5 5 x 10 6 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Modun dan hoi Eb[N/cm2] C hu ye n vi lo n nh at (U y) m ax [c m ] Diem A Diem B Hình 3.20. Quan hệ maxyU - Eb tại điểm A và B 2.5 3 3.5 4 4.5 5 x 10 6 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 Modun dan hoi Eb[N/cm2] C hu ye n vi lo n nh at (U x) m ax [c m ] Hình 3.21. Quan hệ maxxU - Eb tại điểm C và D 16 2.5 3 3.5 4 4.5 5 x 10 6 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 Modun dan hoi Eb[N/cm2] U ng s ua t ( xi cm ax )m ax [N /c m 2] Diem A Diem B Hình 3.22. Quan hệ maxx - Eb tại điểm A và B 2.5 3 3.5 4 4.5 5 x 10 6 8700 8750 8800 8850 8900 8950 9000 9050 9100 Modun dan hoi Eb[N/cm2] U ng s ua t l on n ha t ( xi cm ay )m ax [N /c m 2] Hình 3.23. Quan hệ maxy - Eb tại điểm C Nhận xét: Khi môđun đàn hồi lớp đệm thay đổi như trên, chuyển vị tại A và B đều giảm với mức độ lớn (50,4%  51%), chuyển vị ngang tại các điểm C, D tăng với mức độ cũng lớn (55,6%). Ứng suất tại A giảm, tại điểm B tăng với mức độ bé (0,47%), ứng suất tại điểm C, D tăng. 3.3.3. Ảnh hưởng của lớp nền chứa ống dẫn: Môđun đàn hồi Efp của lớp nền chứa ống dẫn biến thiên từ 0,9105 [N/cm2] đến 2,7105 [N/cm2]. Kết quả: 17 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 x 105 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Modun dan hoi Efp[N/cm2] C hu ye n vi (U y) m ax [c m ] Diem A Diem B Hình 3.24. Quan hệ maxyU – Efp tại điểm A và B 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 x 10 5 0.014 0.015 0.016 0.017 0.018 0.019 0.02 0.021 Modun dan hoi Efp[N/cm2] C hu ye n vi n ga ng (U x) m ax [c m ] Hình 3.25. Quan hệ maxxU – Efp tại điểm C, D 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 x 10 5 920 940 960 980 1000 1020 1040 1060 1080 1100 1120 1140 Modun dan hoi Efp[N/cm2] U ng s ua t x ic m ax [N /c m 2] Diem A Diem B Hình 3.26. Quan hệ maxx - Efp tại điểm A và B 18 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 x 10 5 8950 8952 8954 8956 8958 8960 8962 8964 8966 8968 8970 Modun dan hoi Efp[N/cm2] U ng s ua t x ic m ay [N /c m 2] Hình 3.27. Quan hệ maxy - Eb tại điểm C, D 3.3.4. Ảnh hưởng của vật liệu ống: Môđun đàn hồi vật liệu ống Ep biến thiên [0,052,1]107N/cm2. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 x 10 7 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 Modun dan hoi Ep[N/cm2] C hu ye n vi d un g (U y ) m ax [c m ] Diem A Diem B Hình 3.28. Quan hệ maxyU – Ep tại điểm A và B 0 0.5 1 1.5 2 2.5 x 10 7 0.013 0.014 0.015 0.016 0.017 0.018 0.019 0.02 0.021 Modun dan hoi Ep[N/cm2] C hu ye n vi j n ga ng (U x) m ax [c m ] Hình 3.29. Quan hệ maxxU – Ep tại điểm C 19 0 0.5 1 1.5 2 2.5 x 10 7 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Modun dan hoi Ep[N/cm2] U ng s su at (x ic m ax )m ax [N /c m 2] Diem A Diem B Hình 3.30. Quan hệ maxx - Ep tại điểm A và B 0 0.5 1 1.5 2 2.5 x 10 7 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Modun dan hoi Ep[N/cm2] U ng s ua t ( xi cm ay )m ax [N /c m 2] Hình 3.31. Quan hệ maxy - Ep tại điểm C và D Nhận xét: Chuyển vị đứng tại điểm A và chuyển vị ngang tại điểm C, D giảm với mức độ giảm khá lớn (11,87% - điểm A và 6,22% - điểm C, D), tại điểm B chuyển vị đứng tăng nhẹ khi môđun đàn hồi ống tăng (2,26%). Ứng suất pháp tại điểm A và B đều có xu hướng tăng. 3.3.5. Ảnh hưởng của lớp nền trên cùng: Giải bài toán với môđun đàn hồi Ef1 của lớp nền số 1 (Hình 3.1) biến thiên từ 0,08105 N/cm2 đến 1,08105 N/cm2. Kết quả như sau: 20 0 2 4 6 8 10 12 x 10 4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Modun dan hoi Ef1[N/cm2] C hu ye n vi d un g (U y ) m ax [c m ] Diem A Diem B Hình 3.32. Quan hệ maxyU – Ef1 tại điểm A và B 0 2 4 6 8 10 12 x 10 4 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Modun dan hoi Ef1[N/cm2] C hu ye n vi (U x) m ax [c m ] Hình 3.33. Quan hệ maxxU – Ef1 tại điểm C và D 3.3.6. Ảnh hưởng của độ dốc taluy phần đất đào: Góc mở độ dốc taluy phần đất đào biến thiên từ 00 đến 700, kết quả: 0 10 20 30 40 50 60 70 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 Goc mo beta[do] C hu ye n vi (U y) m ax [c m ] Diem A Diem B Hình 3.36. Quan hệ maxyU –  tại điểm A và B 21 0 10 20 30 40 50 60 70 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 Goc mo beta[do] C hu ye n vi (U x) m ax [c m ] Hình 3.37. Quan hệ maxxU –  tại điểm C và D 3.4. Kết luận chương 3 - Tính toán số với ví dụ cụ thể các lớp bài toán khác nhau (không có áp suất trong ống, áp suất trong là hằng số, áp suất trong biến đổi điều hoà) chịu tác dụng của SXK với các số liệu thực của nền san hô. - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị, ứng suất của ống dẫn nhằm nâng cao hiệu quả làm việc của ống dẫn trong nền san hô. Ch­¬ng 4: Nghiªn cøu ph¶n øng ®éng cña èng dÉn trong nÒn san h« b»ng thùc nghiÖm 4.1. Mục đích thí nghiệm - Xác định phản ứng động (biến dạng tại các điểm thuộc ống dẫn) của ống dẫn nằm trong nền san hô dưới tác dụng của tải trọng nổ dạng SXK. - Kiểm tra tính đúng đắn của bộ chương trình PIPE_CORAL_2011 đã lập. 4.2. M« h×nh vµ c¸c thiÕt bÞ thÝ nghiÖm 4.1.1. M« h×nh thÝ nghiÖm Ống dẫn dày t = 5,5mm, vật liệu thép, d 109mm , L = 1500mm. Hình 4.3. Mẫu thí nghiệm 4.1.2. C¸c thiÕt bÞ thÝ nghiÖm - C¶m biÕn ®iÖn trë ®o biÕn d¹ng:120, 2cm cña h·ng TML (NhËt). - M¸y ®o ®éng ®a n¨ng MGC-Plus: 16 kªnh, cÊp chÝnh x¸c 0,0025%, ®é ph©n gi¶i ADC 16bit, tèc ®é trÝch mÉu 19,2kHz. KÕt qu¶ thÝ nghiÖm ®­îc hiÓn thÞ vµ xö lý b»ng ch­¬ng tr×nh phÇn mÒm chuyªn dông. 22 - Nguồn gây tải trọng là nguồn nổ, với loại thuốc nổ TNT. Khi tiến hành thí nghiệm, để xác định được lượng nổ tối ưu, có được tín hiệu đến các đầu đo rõ ràng, ngoài việc nghiên cứu lý thuyết nổ, tác giả đã phải tiến hành nổ thử, với quy luật thay đổi lượng nổ từ bé đến lớn. Hình 4.4. Máy đo động MGC16/64 và hiển thị kết quả trên màn hình của máy 4.3. Ph­¬ng ph¸p x¸c ®Þnh kÕt qu¶ thÝ nghiÖm Từ kết quả đo biến dạng , so sánh, đối chứng với tính toán lý thuyết. 4.4. KÕt qu¶ thÝ nghiÖm 4.4.5. Trường hợp nổ trong nền: Tiến hành đo cho 6 trường hợp góc lệch trục: 00, 150,300,450,600,750. Xác định biến dạng theo phương tiếp tuyến ống tại điểm gần, xa tâm nổ. 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 -4 -2 0 2 4 6 8 10 x 10-5 Thoi gian t[s] B ie n da ng ty d oi e fx ilo nf i Diem gan-LT Diem gan-TN Diem xa-LT Diem xa-TN Hình 4.9. Quan hệ biến dạng  và thời gian t (Góc lệch trục  = 00) Bảng 4.1. So sánh kết quả giá trị biến dạng lớn nhất của 2 phương pháp max  (10 -4) max (10 -4) Điểm gần tâm nổ Điểm xa tâm nổ Lý thuyết Thí nghiệm Sai số[%] Lý thuyết Thí nghiệm Sai số[%] 0,863 0,729 18,38 0,652 0,538 21,19 23 4.4.6. Trường hợp nổ trên không: Bố trí đồng thời 3 lượng nổ ở độ cao 1,4m so với mặt nền, do đó bài toán gần đúng với mô hình phẳng. Kết quả đáp ứng biến dạng tại các điểm đo theo thời gian như hình 4.12. 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 x 10 -4 Thoi gian [s] Bi en d an g ty d oi e fx ilo nf i Diem xa-LT Diem xa-TN Diem gan-LT Diem gan-TN Hình 4.12. Đáp ứng biến dạng  theo thời gian t Bảng 4.3. So sánh kết quả giá trị biến dạng lớn nhất của 2 phương pháp max  (10 -4) max (10 -4) Điểm xa tâm nổ Điểm gần tâm nổ Lý thuyết Th. nghiệm Sai số[%] Lý thuyết Th.nghiệm Sai số[%] 1,4800 1,3104 12,94 1,9500 1,6426 18,71 Nhận xét: - Kết quả tính toán bằng lý thuyết và thí nghiệm khá đồng dạng và phù hợp với quy luật cơ học. - Sai số về giá trị biến dạng  lớn nhất tại điểm tính giữa 2 phương pháp từ 12,94% đến 21,19% là có thể chấp nhận được, điều này một lần nữa khẳng định sự phù hợp và tin cậy của bộ chương trình phần mềm PIPE_CORAL_2011 đã lập (Tín hiệu 2). 4.5. KÕt luËn ch­¬ng 4 - Xây dựng quy trình, phương pháp thí nghiệm tương tác giữa kết cấu ống dẫn và nền san hô chịu tải trọng sóng xung kích do nổ gây ra. - Thí nghiệm 2 trường hợp: nổ trong nền và nổ trong không khí. Kết quả thí nghiệm được so sánh với tính toán lý thuyết bằng chương trình tính đã lập, cho thấy mức độ tin cậy của chương trình tính. 24 kÕt luËn vµ kiÕn nghÞ 1/ Những đóng góp mới của luận án: - Đề xuất mô hình và phương pháp giải bài toán tương tác động lực học phi tuyến do kể đến tính tách và trượt giữa bề mặt ống dẫn với nền san hô, giữa lớp đất bù và lớp nền nguyên thổ bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Nội dung được thể hiện ở các công trình [1], [2]. - Xây dựng các phương trình, thuật toán và bộ chương trình tính tương ứng PIPE_CORAL_2011 nghiên cứu tương tác giữa ống dẫn và nền san hô chịu tác dụng của tải trọng phức tạp là sóng xung kích do nổ gây ra và các dạng áp lực trong của ống. Sử dụng bộ chương trình đã lập, tiến hành tính toán và nghiên cứu bằng số với các số liệu thực về nền san hô. Nội dung được thể hiện ở các công trình [3], [4], [7]. - Đã giải hàng loạt bài toán, khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố như vật liệu, tải trọng, kích thước hình học và đặc trưng của lớp đệm đáy ống, lớp nền, đến chuyển vị, biến dạng và ứng suất của ống dẫn làm việc trong nền san hô. Nội dung được thể hiện ở các công trình [5]. - Nghiên cứu thực nghiệm tương tác giữa kết cấu ống dẫn và nền san hô dưới tác dụng của tải trọng sóng xung kích theo 2 trường hợp tạo tải trọng: nổ trong nền và nổ trong không khí. Xác định được ứng suất, biến dạng của một số điểm thuộc ống, kiểm tra sự ảnh hưởng của góc lệch trục ống đối với phương truyền sóng nén (trường hợp nổ trong nền) đến phản ứng động của ống và góp phần kiểm tra độ tin cậy của bộ chương trình tính PIPE_CORAL_2011 đã lập. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm phù hợp với các kết quả nghiên cứu lý thuyết và khẳng định độ tin cậy của bộ chương trình đã lập, ngoài ra các số liệu có ý nghĩa làm tài liệu tham khảo trong tính toán tương tác giữa kết cấu và nền san hô. Nội dung được thể hiện trong công trình [6]. 2/ Kiến nghị: - Ảnh hưởng của lớp nền bề mặt (lớp trên cùng) đến sự làm việc của ống dẫn là khá lớn. Với phương pháp đào hở, lớp đệm đáy ống không nên cứng quá vì ứng suất, biến dạng tại điểm thuộc đáy của ống tăng nhanh. - Hiện tượng tách, trượt cục giữa ống dẫn và nền san hô, giữa lớp đất bù và lớp nền có ảnh hưởng đáng kể đến sự làm việc của ống dẫn. - Luận án có thể tiếp tục phát triển theo các hướng sau: + Tính toán tương tác giữa ống dẫn và nền đàn nhớt, môi trường chất lỏng có kể đến ảnh hưởng của dòng chảy. + Tính toán độ bền, độ ổn định của ống dẫn chịu tác dụng của tải trọng di động trong ống.