Một phương pháp đánh giá hiệu quả công tác sửa chữa gia cố các công trình DKI

M C L C

M

Đ

U

CH

NG 1 C S L

ụ

THUY T ... 8

Đ

T B

Ẩ

I TO

Á

N

... 8

1.1. B

Ẩ

I TO

Á

N CH N

Đ

O

Á

N K THU T C

Ọ

NG TR

Ì

NH

... 8

1.1.1. M C ĐệCH BẨI TOÁN CH N ĐOÁN K THU T CỌNG TRÌNH . 8 1.1.2. N I DUNG C A BẨI TOÁN CH N ĐOÁN K THU T ... 9

1.1.3. BẨI TOÁN NH N D NG K T C U CỌNG TRÌNH BI N... 10

1.2.

ĐÁ

NH GI

Á

TR NG TH

Á

I K THU T C

Ọ

NG TR

Ì

NH DKI

... 14

1.2.1. ĐÁNH GIÁ HI U QU VI C GIA C S A CH A CÁC CỌNG TRÌNH DKI B NG T N S RIểNG. ... 14

1.2.2. ĐÁNH GIÁĐ B N V NG C A CỌNG TRÌNH. ... 15

1.3. PH

NG PH

Á

P PH N T H U H N

. ... 16

1.3.1. T T NG VẨ N I DUNG C A PH NG PHÁP PH N T H U H N (PTHH) ... 16

1.3.2. MỌ T TOÁN H C PH NG PHÁP PTHH. ... 18

1.3.3. PHỂN TệCH KHUNG KHỌNG GIAN (D M BA CHI U) ... 21

1.3.4. BẨI TOÁN DAO Đ NG RIểNG C A K T C U ... 25

1.4. S

Ó

NG V

Ẩ

T I TR NG S

Ó

NG T

Á

C

Đ

NG L

ể

N K T C U

... 26

1.4.1. CÁC Đ C TR NG C B N C A SịNG BI N. ... 27

1.4.2. Lụ THUY T SịNG ERY ... 28

1.4.3. CỌNG TH C MORISON. ... 29

1.5. PH N M M

Á

P D NG CHO T

ệ

NH TO

Á

N

. ... 31

1.5.2. PH N M M TệNH TOÁN T I TR NG SịNG TÁC Đ NG LểN

CỌNG TRÌNH. ... 32

1.5.3. CH NG TRÌNH ĐÁNH GIÁ CÁC THAM S MỌ HÌNH C A MỌ HÌNH THAM S . ... 33

CH

NG 2 THI T L P M

Ọ

H

Ì

NH PH

Ể

N T

ệ

CH C

Ọ

NG TR

Ì

NH

DKI ... 37

2.1. C U T O V

Ẩ

HI N TR NG M T S C

Ọ

NG TR

Ì

NH DKI

... 38

2.1.1. CỌNG TRÌNH DKI/9 ... 38

2.1.2. CỌNG TRÌNH DKI/12 ... 38

2.2. M

Ọ

H

Ì

NH HO

Á

THI T K C

Ọ

NG TR

Ì

NH DKI

... 39

2.2.1. MỌ HÌNH THI T K CỌNG TRÌNH TR C KHI GIA C ... 39

2.2.2. MỌ HÌNH THI T K CỌNG TRÌNH SAU KHI GIA C ... 45

2.3. M

Ọ

H

Ì

NH THAM S V

Ẩ

ĐÁ

NH GI

Á

C

Á

C THAM S M

Ọ

H

Ì

NH B NG T N S RI

ể

NG

. ... 50

2.3.1. CỌNG TRÌNH DKI/9 ... 51

2.3.2. CỌNG TRÌNH DKI/12 ... 53

2.4. T

ệ

NH TO

Á

N T I TR NG S

Ó

NG THI T K T

Á

C

Đ

NG

L

ể

N C

Ọ

NG TR

Ì

NH DKI

... 56

CH

NG 3 T

ệ

NH TO

Á

N

ĐÁ

NH GI

Á

HI U QU VI C GIA C

S A CH A C

Ọ

NG TR

Ì

NH DKI/9 V

Ẩ

DKI/12 ... 57

3.1. PH

Ể

N T

ệ

CH

ĐÁ

NH GI

Á

C

Ọ

NG TR

Ì

NH DKI/9

... 57

3.1.1. K T QU ĐO, TệNH TOÁN RUNG Đ NG VẨ ĐÁNH GIÁ S B ... 57

3.1.2. ĐÁNH GIÁ HI U QU VẨĐ B N V NG: ... 58

3.2.1. K T QU ĐO, TệNH TOÁN RUNG Đ NG VẨĐÁNH GIÁ S B . ... 60

3.2.2. ĐÁNH GIÁ HI U QU VẨĐ B N V NG. ... 61

M

Đ

U

Xơy dựng vƠ b o v công trình bi n hi n nay lƠ m t trong nh ng h ng nghiên c u đƣ vƠđang đ c nhƠ n c ta quan tơm. H u h t các công trình l n đ u do n c ngoƠi xơy dựng vƠ ch t o, do h n ch v công ngh , k thu t, kinh phí... chúng ta chỉ xơy dựng đ c m t s công trình nh nh tr m d ch v Khoa h c K thu t g i t t lƠ DKI ngoƠi đ o Tr ng sa trên n n san hô. Các công trình DKI đ c xơy dựng nh m ph c v canh gi biên gi i bi n Vi t Nam. Công trình bao gồm 3 kh i chính: Kh i th ng t ng (n i c a các chi n s ), kh i chơn đ (k t c u ch u lực chính), h móng c c (bao gồm 4 c c đóng xu ng n n san hô). Tuy nhiên sau m t th i gian đ c đ a vƠo s d ng d i tác đ ng c a t i môi tr ng, các công trình DKI xu t hi n sự rung l c, đ c bi t lƠ hi n t ng rùng mình c a k t c u, nguyên nhơn ch y u c a hi n t ng nƠy lƠ do khi xu t hi n sóng gió l n các c c s nén ép vƠo n n san hô theo ph ng ngang lƠm cho đ t đá xung quanh c c b bi n d ng vƠ b phá hu không ph c hồi đ c, do đó liên k t h th ng n n móng b suy y u d n, d n đ n t n s riêng c a k t c u gi m, hi n t ng nhổ c c xu t hi n. Sau m t th i gian s d ng m t s công trình đƣ b đổ, s còn l i b h h ng đang trong tình tr ng xu ng c p báo đ ng c n ph i đ c s a ch a. Đ kh c ph c hi n tr ng trên vƠ đ các công trình DKI ti p t c ho t đ ng, NhƠ n c trực ti p lƠ B Qu c phòng đƣ lên k ho ch tu s a. Hai ph ng án thi t k cho vi c gia c s a ch a các công trình đƣ đ c đ xu t:

Ph ng án ôm chơn c t: T o ra các kh i bêtông c t thép bao xung quanh t ng chơn c c c a công trình.

Ph ng án m r ng chơn đ : G n vƠo t ng c c c a công trình m t k t c u ph , m i k t c u ph đ c gi b i hai kh i bê tông đ t trên n n san hô.

Hi n nay m t s công trình đƣ hoƠn thi n vi c s a ch a vƠ đƣ đ c đ a vƠo khai thác s d ng. Vi c ki m tra đánh giá hi u qu c a công trình sau gia c lƠ vi c h t s c c n thi t, tr c h t lƠđ ki m tra đ an toƠn tránh thi t h i v tƠi s n vƠ con ng i vƠ sau đó lƠ tìm ra ph ng án gia c , s a ch a t i u.

M c đích c a lu n văn nƠy lƠ Xây dựng một phương pháp đánh giá hiệu quả công tác sửa chữa, gia cố các công trình DKI.

nh t t thi t k đ n hi n t i. Tuy nhiên trong lu n văn vi c đánh giá dựa trên hai mô hình khác nhau: mô hình k t c u công trình tr c khi gia c vƠ công trình sau khi đƣ gia c . Đơy lƠđ c thù cũng lƠ cái m i c a đ tƠi đƣ ch n.

Nội dung chính của luận văn gồm 3 chương:

Ch ng 1 c s lỦ thuy t cho vi c lựa ch n chỉ tiêu, thi t l p mô hình cũng nh tính toán vƠ đánh giá hi u qu c a vi c gia c , s a ch a. Trong ch ng nƠy trình bƠy c s lỦ thuy t ph c v vi c đánh giá, bao gồm bƠi toán ch n đoán k thu t, ph ng pháp Ph n T H u H n vƠ tác đ ng c a sóng đ n công trình.

Ch ng 2 xơy dựng các mô hình tính toán tr c vƠ sau gia c . Trong ch ng nƠy thực hi n 2 vi c:

 M t lƠ, xơy dựng các mô hình thi t k đ t đó tính toán đ c tr ng đ ng lực (t n s riêng), lƠm ti n đ cho vi c so sánh k t qu c a vi c gia c , s a ch a (đánh giá s b ch t l ng công trình).

 Hai lƠ, xơy dựng các mô hình tham s (tham s mô hình lƠ ph n t lò xo thay th trong liên k t n n móng) t đó đ ti n t i xơy dựng mô hình thực tr ng c a công trình DKI.

Ch ng 3 tính toán vƠđánh giá hi u qu vi c gia c , s a ch a công trình DKI. V i các tính toán t mô hình thi t k vƠ k t qu đo đ c (lu n văn s d ng s li u tần số đo đ c, kh o sát vƠ x lỦ năm 1999 vƠ năm 2002 c a đoƠn kh o sát c a Vi n C H c) cho phép đánh giá s b hi u qu gia c b ng t n s riêng. Phơn tích mô hình thực tr ng, thông qua vi c tính toán chuy n v ngang cho phép đánh giá đ b n v ng c a công trình, đơy cũng lƠ m t chỉ tiêu hi u qu c a vi c gia c .

Ph n ph l c th hi n s li u đ u vƠo c a k t c u công trình DKI/9, DKI/12 (trên mô hình) cho tính toán trên ph n m m SAP2000 vƠ các k t qu tính toán chuy n v t i nút c a các mô hình thực tr ng d i tác đ ng c a t i tr ng thi t k vƠ b n v thi t k công trình DKI/12.

Kết quả nhận được bao gồm:

1. Xơy dựng đ c mô hình k t c u công trình DKI tr c vƠ sau khi s a ch a v i liên k t n n san hô lƠ các lò xo đƠn hồi.

2. Gi i bƠi toán xác đ nh mô hình thực tr ng t s li u đo đ c v t n s , mƠ thực ch t lƠ xác đnh các giá tr thực t c a các lò xo nêu trên. đơy đƣ xơy dựng đ c ch ng trình máy tính đ gi i bƠi toán quy ho ch phi tuy n.

3. Áp d ng SAP2000 phơn tích đ ng lực h c k t c u công trình DKI tr c vƠ sau khi gia c v i các h s n n đƣ tính đ c đ xác đnh các chỉ tiêu hi u qu nh đ c ng vƠ chuy n v ngang.

CH

NG 1 C S L

ụ

THUY T

Đ

t b

Ơ

i to

á

n

Đánh giá hiệu quả của việc gia cố sửa chữa công trình DKI chính lƠ m c tiêu c a lu n văn đ t ra. V y chỉ tiêu đ đánh giá lƠ gì?. Nói đ n tính hi u qu thì có r t nhi u chỉ tiêu đánh giá nh : Kinh t , xơy dựng, thi t k ầ Trong bƠi toán c h c vƠ tính toán k t c u thì độ cứng c a k t c u cũng nh độ bền vững c a công trình lƠ m t trong nh ng y u t quan tr ng. Vì v y lu n văn nƠy lựa ch n hai y u t trên lƠm chỉ tiêu đ đánh giá hi u qu c a vi c gia c công trình DKI.

Đ c tr ng c a độ cứng chính lƠ tần số riêng (các giá tr t n s riêng c a công trình DKI nh n đ c qua đo đ c thực t c a đoƠn kh o sát năm 1999 cho công trình tr c khi gia c vƠ năm 2002 đ i v i công trình sau gia c ).

M t trong các đ c tr ng v tính bền vững c a công trình lƠ chuyển vị ngang tại đỉnh c a công trình d i tác đ ng c a tải trọng thiết kế, đ i v i các công trình bi n thì t i tr ng thi t k chính lƠ tải trọng sóng. Nh v y, bƠi toán d n đ n vi c thi t l p mô hình thực tr ng c a công trình, l i gi i c a bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình.

Đ tính toán các chuy n v cũng nh các t n s tính toán, ta ph i mô hình hoá công trình. Vi c thi t l p mô hình đ c mô t b ng mô hình ph n t h u h n.

Từ những đặc điểm, yếu tố trên tác giả xây dựng một quy trình đánh giá hiệu

quả công tác gia cố, sửa chữa các công trình DKI (Hình 1.1).

1.1. B

Ơ

i to

á

n ch n

đ

o

á

n k thu t c

ô

ng tr

ì

nh

1.1.1. M c đích bƠi toán ch n đoán k thu t công trình

Quy tr

ì

nh

đá

nh gi

á

hi u qu

c

ô

ng t

á

c gia c , s a ch a c

á

c c

ô

ng tr

ì

nh DKI

Mô hình hoá công trình b ng PTHH

Mô hình tính toán thi t k

Mô hình tham s

Đo đ c kh o sát thực t

Mô hình tham s tr c khi

gia c

Mô hình tham s sau khi gia c

T n s d ng riêng tr c khi gia

c

T n s d ng riêng sau khi gia

c

Phơn tích tính toán t n s , d ng riêng

c a k c u (SAP2000) Mô

hình tr c khi gia

c

Mô hình

sau khi gia c

Mô hình

TK n n y u

Mô hình

TK v a r i r c

Mô hình

TK n n c ng

Hi u qu thi t k

Mô hình thực tr ng

tr c khi gia c

Mô hình thực tr ng sau khi gia

c

Phơn tích đ ng lực h c cho chuy n v đ ng

(SAP2000)

Đ b n v ng công trình

Hi u qu thực t

Đánh giá hi u q a vi c gia c Đánh giá s b

Sóng TK tác đ ng lên công trình

Ch ng trình đánh giá tham s mô hình (DIA_DKI)

1.1.2. Nội dung của bài toán chẩn đoán kỹ thuật

BƠi toán ch n đoán k thu t bao gồm 3 n i dung chính.

 Kh o sát, đo đ c thu nh p các thông tin v tình tr ng thực t c a công trình.

 Xơy dựng mô hình thực tr ng c a k t c u.

 Phơn tích đánh giá tr ng thái k thu t c a công trình.

1.1.3. Bài toán nhận dạng kết cấu công trình biển

Đ i v i bƠi toán ch n đoán đ có k t qu đáng tin c y trong vi c đánh giá tr ng thái k thu t c a công trình thì vi c xơy dựng mô hình thực tr ng c a k t c u lƠ h t s c quan tr ng, đ c bi t lƠ đ i v i công trình bi n. Vi c thi t l p mô hình thực tr ng c a k t c u t các s li u kh o sát đo đ c, hồ s thi t k , hoƠn công chính lƠ v n đ nh n d ng k t c u.

V m t toán h c, bƠi toán nh n d ng k t c u lƠ bƠi toán xơy dựng l i mô hình dựa trên ph n ng vƠ lực tác d ng c a h c h c: AX = d trong đó A lƠ đ c tr ng k t c u, d lƠ t i tác đ ng ngoƠi, X lƠ bi n tr ng thái (chuy n v , bi n d ng,...). Nh v y bƠi toán nh n d ng k t c u lƠ m t bƠi toán ng c c a c h c (bi t d vƠ X tìm A).

Trong lỦ thuy t nh n d ng nói chung, ng i ta th ng s d ng các đ c tr ng đ ng lực h c (nh t n s riêng, d ng dao đ ng riêng, h s c n, hƠm phổ ph n ng) hay lƠ xác đnh các ma tr n M, C, K trong (1.3.9) lƠm chỉ tiêu đnh l ng gi i bƠi toán nh n d ng k t c u d n đ n m t ph ng pháp riêng đ c g i lƠ ph ng pháp rung đ ng.

1.1.3.1. Đ c đi m c a công trình bi n

 Công trình bi n luôn chịu tác động của các tải trọng môi trường nh : t i sóng, t i gió, t i dòng ch y... vƠ các t i tr ng khác nh : tác đ ng c a thi t b lƠm vi c trên công trình, t i tr ng gơy ra do sự c t h cánh máy bay,... Các t i nƠy mang tính ng u nhiên r t ph c t p vƠ nhi u khi r t kh c nghi t, nguy hi m mƠ con ng i không th l ng tr c đ c. Do các t i nƠy mƠ công trình luôn luôn trong tr ng thái đ ng.

 Khó khăn trong công tác khảo sát vàđo đạc: vi c kh o sát, đo đ c m i th i đi m vƠ m i v trí m t cách chi ti t c a k t c u lƠ r t khó khăn n u không nói lƠ không thực hi n đ c do hai đ c đi m trên.

1.1.3.2. Ph ng pháp rung đ ng trong bƠi toán nh n d ng công trình bi n

V i các đ c đi m nêu trên c a công trình bi n mƠ các bi n pháp kh o sát trực quan đ thu nh p s li u v hi n tr ng công trình bi n tr nên khó khăn vƠ kém hi u qu . Nh v y v i m t ph ng pháp kh o sát cho phép ta chỉ c n đo đ c m t s v trí thu n ti n cũng có th đánh giá đ c hi n tr ng công trình lƠ c n thi t. Ph ng pháp rung đ ng tr thƠnh công c h u hi u trong tr ng h p nƠy. N i dung c a ph ng pháp nƠy lƠ vi c ti n hƠnh đo đ c ph n ng đ ng c a công trình m t s v tríđƣ ch n vƠ t đó xác đnh các đ c tr ng c a k t c u mô t tr ng thái k thu t c a công trình. Các đ c tr ng nƠy c a k t c u th ng lƠ t n s riêng, d ng dao đ ng riêng, h s c n, hƠm phổ ph n ng, chúng mô t m t cách tổng th hi n tr ng c a công trình mƠ không ph thu c vƠo các y u t bên ngoƠi. H n th n a, các đ c tr ng nƠy cho phép ta đánh giáđ c kh năng ch u lực, các h h ng, khuy t t t c a công trình mƠ vi c kh o sát trực quan không phát hi n đ c (nh liên k t gi a móng c c vƠ n n). Nh v y vi c nh n d ng h h ng dựa trên các đ c tr ng đ ng lực h c c a k t c u nh t n s riêng vƠ d ng riêng lƠ gi i pháp kh thi. Hi n nay ph ng h ng nƠy đang đ c quan tơm vƠ phát tri n trên th gi i.

1.1.3.3. Các ph ng pháp gi i bƠi toán nh n d ng k t c u công trình d ng tham s b ng các đ i l ng đ c tr ng đ ng lực h c

N i dung c b n c a ph ng pháp nh sau:

 Đo đ c các đ c tr ng đ ng lực h c c a k t c u



* *



2

* 1 *

,..., ,d dn

d

 Xơy dựng các mô hình tham s c a k t c u M(x), K(x), C(x) v i x lƠ tham s ch n đoán x 



x1,x2,...,xm





. Các tham s nƠy ph thu c vƠo vi c mô hình hoá, chúng có th lƠ các tham s mô hình nh kích th c hình h c, tính ch t v t li u, các đ c tr ng h h ng nh v t n t, đ c ng ph n t , lò xo.

 Tính toán các đ c tr ng đ ng lực h c t tham s mô hình.



d1,d2,...,d



g(x)

d n

 



 . (1.1.1)

 Xác đnh các tham s x trên c s đánh giá sai s gi a s li u đo vƠ s li u tính toán lƠ t i thi u.

 

x  f



d*,d



min

J . (1.1.2)

a) Nhận dạng tham số dùng phương pháp giải liên tiếp các bài toán thuận

Thực ch t c a bƠi toán nƠy lƠ gi i liên ti p các bƠi toán thu n sau đó l y k t qu đ so sánh v i s li u đo. Theo ph ng pháp nƠy kh i l ng tính toán s l n vƠ k t qu ph thu c ch y u vƠo kinh nghi m c a ng i lƠm tính toán.

b) Phương pháp giải bài toán tham số dưới dạng bài toán quy hoạch phi tuyến

Thực ch t gi i bƠi toán đánh giá tham s lƠđi tìm l i gi i c a bƠi toán ng c. Ph ng pháp tổng quát nh t đ gi i các bƠi toán ng c lƠđ t bƠi toán ng c d i d ng bƠi toán cực ti u phi m hƠm m c tiêu (lƠ tiêu chu n ch n nghi m) v i các tham s ch u các rƠng bu c đẳng th c hay b t đẳng th c, t đó s d ng các ph ng pháp gi i c a quy ho ch phi tuy n đ tìm nghi m.

Bài toán quy hoạch phi tuyến tổng quát.

BƠi toán quy ho ch phi tuy n tổng quát phát bi u nh sau: Tìm các giá tr t i u c a các tham s x



x1,x2,...,xn





lƠm cực ti u hƠm s :

n R x x J  min ) ( (1.1.3)

v i các đi u ki n rƠng bu c

trong đó x lƠ vecto tham s t i u (xRn),J(x) lƠ hƠm m c tiêu có giá tr lƠ s thực (J(x):Rn R), các hƠm Gi(x), i =1, 2,...., melƠ các rƠng bu c đẳng th c vƠ các hƠm Gi(x), i = me+1,...., m lƠ các rƠng bu c b t đẳng th c đ i v i các tham s t i u x.

Ph m vi các bƠi toán quy ho ch r t r ng, d i đơy chỉ ch n m t l p các bƠi toán quy ho ch thông d ng có th ng d ng trong các bƠi toán c h c. Vi c phơn lo i bƠi toán quy ho ch ph thu c vƠo đ c đi m c a hƠm m c tiêu (1.1.3) vƠ các hƠm rƠng bu c (1.1.4).

1. BƠi toán (1.1.3) đ c g i lƠ bƠi toán quy ho ch không có rƠng bu c n u vect tham s xđ c xác đnh trong toƠn Rn vƠ không có các rƠng bu c (1.1.4).

2. BƠi toán (1.1.3) ậ (1.1.4) đ c g i lƠ quy ho ch tuy n tính n u c hƠm m c tiêu vƠ các hƠm rƠng bu c lƠ các hƠm tuy n tính c a các tham s t i u x.

3. BƠi toán (1.1.3) ậ (1.1.4) đ c g i lƠ quy ho ch toƠn ph ng n u hƠm m c tiêu lƠđa th c b c 2 c a x có d ng f x  xTHxcTxb

2 1 )

( v i H lƠ ma tr n đ i x ng g i lƠ ma tr n Hessian, c lƠ vecto h ng s , b lƠ m t h ng s trong khi các hƠm rƠng bu c (1.1.4) phƠi lƠ các hƠm tuy n tính c a tham s t i u x.

4. BƠi toán (1.1.3) ậ (1.1.4) đ c g i lƠ Bình Ph ng T i thi u phi tuy n n u đi u

ki n (1.1.3) có d ng





   



 _

    



 _



i

i i

X

X F x ydata F x ydata

2

) ( 2

1 min )

( 2 1

min , trong đó

{Fi(x); i =1, 2,..., n} lƠ các hƠm vecto có giá tr lƠ s thực, {ydatai; i=1, 2,..., n} lƠ các s li u đo đ c thực nghi m c a hƠm Fi(x).

5. BƠi toán (1.1.3) ậ (1.1.4) đ c g i lƠ bƠi toán quy ho ch phi tuy n có các rƠng bu c bán vô h n n u cùng v i các rƠng bu c d ng (1.1.4) còn có thêm các rƠng bu c d ng {Ki(x,wi)  0; i=1, 2,..., n}, trong đó Ki(x,wi) lƠ hƠm vecto có giá tr lƠ

s thực,



n



i i l i

i w w w

w

w :   i=1, 2,..., n đ c g i lƠ các đ i s ph .

Các phương pháp giải bài toán quy hoạch phi tuyến

Đ i v i các bƠi toán quy ho ch tuy n tính vƠ toƠn ph ng, có nhi u ph ng pháp tin c y khác nhau đ tìm nghi m t i u tin c y nh ph ng pháp đ n hình, ph ng pháp Gradient liên h p (PCG)...

Các ph ng pháp chính đ gi i các bƠi toán Bình Ph ng T i Thi u phi tuy n lƠ ph ng pháp Gauss ậ Newton vƠ ph ng pháp Levenberg ậ Marquardt..

Đ i v i bƠi toán quy ho ch phi tuy n tổng quát trong đó các hƠm m c tiêu vƠ rƠng bu c lƠ các hƠm phi tuy n c a các tham s t i u x thì vi c tìm nghi m tin c y ch y u lƠ thông qua các ph ng pháp l p đ tìm h ng t i u t i t ng b c hay các ph ng pháp gi i liên ti p các bƠi toán quy ho ch tuy n tính, quy ho ch toƠn ph ng hay bƠi toán cực tr không có rƠng bu c t i t ng b c l p.

1.2.

Đá

nh gi

á

tr ng th

á

i k thu t c

ô

ng tr

ì

nh DKI

1.2.1. Đánh giá hiệu quả việc gia cố sửa chữa các công trình DKI bằng tần số riêng.

Đánh giá hi u qu công tác gia c s a ch a đ c ti n hƠnh dựa trên t n s dao đ ng riêng, đi u nƠy hoƠn toƠn có c s khoa h c ch t ch . Th t v y, m c tiêu c a vi c gia c s a ch a chính lƠ đ tăng c ng kh năng ch u lực c a công trình. Kh năng ch u lực đ c đ c tr ng ch y u b ng đ c ng c a công trình. M t khác, t n s dao đ ng riêng lƠ đ i l ng t l thu n v i đ c ng vƠ t l ngh ch v i kh i l ng quy đổi

1 2

* 

 _{j j}

j K M

 , (1.2.1)

trong đó K, M lƠ đ c ng vƠ kh i l ng quy đổi c a công trình theo m t d ng dao đ ng nƠo đó nh u n ngang, xo n hay thẳng đ ng, còn j lƠ t n s riêng t ng ng c a d ng dao đ ng đó. Đi u nƠy cho phép ta đánh giáđ c sự gia tăng c a đ c ng cũng nh sự suy gi m kh i l ng theo m c đ tăng c a t n s riêng. Dựa trên c s nƠy chúng ta xét:

Chỉ s hi u qu c a vi c gia c tính b ng:

0 0

H

   

 , (1.2.2)

trong đó t n s  lƠ t n s riêng c a công trình sau khi gia c s a ch a vƠ t n s

0

bi t t s gi a đ c ng đ c gia c ng thêm so v i đ c ng tr c khi gia c . N u chỉ s hi u qu nƠy d ng, thì coi nh có hi u qu vƠ nó cƠng l n thì hi u qu cƠng l n.

Chỉ s hi u qu có th tính riêng cho t ng d ng dao đ ng nh u n ngang, xo n ho c nhổ c a công trình (nh ng d ng dao đ ng chính), ta kỦ hi u l n l t lƠ

V T Uy

Ux H H H

H , , , . Chỉ s hi u qu chung có th đ c tính lƠ trung bình c ng c a các chỉ s hi u qu riêng ph n



HUx HUy HT HV



H    

4 1 ~

. (1.2.3)

N u chỉ s hi u qu tính theo các t n s riêng tính toán thì ta đ c chỉ s hi u qu thi t k H_D(Design). N u chỉ s hi u qu đ c tính b ng các t n s đo thì ta g i đó lƠ chỉ s hi u qu thực t H_A(Actual). T l t ng ng gi a chỉ s hi u qu thực t vƠ thi t k s cho chúng ta đánh giá v ch t l ng công trình so v i thi t k .

1.2.2. Đánh giá độ bền vững của công trình

M c tiêu c a vi c đánh giá kh năng ch u lực c a công trình lƠ đánh giá kh năng ch u đựng đ c c p sóng t i đa (sóng thi t k ). Tiêu chu n đ đánh giá lƠ quy ph m hi n hƠnh, c th lƠ đ l c ngang đỉnh c a công trình không v t quá 5% chi u cao c a nó. Nh v y bƠi toán lƠ xác đ nh các chuy n v ngang, chuy n v đ ng trong phơn tích đ ng lực h c.

Đ thực hi n đ c vi c đánh giá nƠy, tr c tiên c n ph i xác đnh đ c mô hình thực tr ng công trình t i th i đi m kh o sát vƠ sau đó s d ng ph n m m phơn tích đ ng lực h c công trình theo mô hình thực tr ng.

các t n s riêng. N u l y t n s riêng đo đ c tr c khi gia c lƠm c s đ ch n đoán thì k t qu s cho ta mô hình thực tr ng tr c khi s a ch a, kỦ hi u lƠ0 . N u c s đ ch n đoán lƠ t n s đo sau khi gia c thì mô hình nh n đ c lƠ mô hình thực tr ng sau khi gia c 1. So sánh hai mô hình nh n đ c ta có th đánh giá h h ng c a công trình trong quá trình gia c s a ch a.

Vi c tính toán đ so sánh v i quy ph m v kh năng ch u lực c a công trình trên các c p đ sóng khác nhau vƠ sóng thi t k đ c ti n hƠnh đ i v i mô hình 1. Tuy nhiên đ ph n nƠo chính xác hoá k t qu đánh giá hi u qu công vi c gia c s a ch a nêu trên, có th tính toán phơn tích theo quy ph m trên mô hình 0 . Khi đó so sánh hai k t qu tính toán ta cũng có đ c m t chỉ s khác đánh giá hi u qu công tác s a ch a. Ta g i chỉ s hi u qu nƠy lƠ chỉ s hi u qu gia c :

0 1

1

U U

H   , (1.2.4)

trong đó U0 vƠ U1 lƠ chuy n v ngang ho c đ ng c a công trình tính đ c theo mô hình 0 vƠ1 trên cùng m t c p đ sóng.

1.3. Ph

ng ph

á

p Ph n T H u H n (PTHH)

Trong lĩnh vực Cơ học, các ứng xử của hệ Cơ học được mô tả nhờ các hệ

phương trình vi phân đạo hàm riêng. Kết cấu là hệ liên tục có vô số bậc tự do, hệ

phương trình vi phân đạo hàm riêng mô tả ứng xử của kết cấu thường không có lời

giải tích chính xác. Vì vậy, người ta thường sử dụng phương pháp rời rạc hoá, đưa

về bài toán hữu hạn bậc tự do. Phương pháp phần tử hữu hạn là một trong những

phương pháp rời rạc hoá được áp dụng rất rộng rãi trong tính toán kết cấu.

Phương pháp phần tử hữu hạn cho phép ta mô hình hoá bài toán một cách tổng

quát và giải bài toán vi phân hiệu quả. Phương pháp phần tử hữu hạn được áp

dụng vào phần lớn các bài toán thường gặp trong kỹ thuật được xác định trong

không gian 1D, 2D, 3D, như bài toán tuyến tính, bài toán phi tuyến

1.3.1. Tư tưởng và Nội dung của phương pháp Phần Tử Hữu Hạn (PTHH)

trong không gian, chuy n đ ng c a các nút đ c mô t b ng các tham s g i lƠ b c tự do c a nút, tổ h p các b c tự do c a các nút t o thƠnh m t véc t các b c tự do đ c l p, g i lƠ véc t chuy n v nút c a h đƣ cho, kỦ hi u lƠ U 



U1,...,UN



T. Tr ng

thái ng su t bi n d ng c a v t th t i các đi m b t kỳ đ c bi u di n qua véct chuy n v nút vƠ sau đó nh các đnh lu t, nguyên lỦ c b n c a c h c thi t l p đ c h ph ng trình vi phơn đ i v i các chuy n v nút d ng

P KU U C U

M    , (1.3.1)

trong đó M, C, K, P l n l t lƠ ma tr n kh i l ng, h s c n vƠ đ c ng, véct t i tr ng đƣ đ a v nút. Nh v y, rõ rƠng lƠ ph ng pháp PTHH đƣ thực hi n m t phép r i r c hoá vƠ h u h n hoá các h vô s b c tự do. N i dung c a ph ng pháp PTHH đ c th hi n trong quy trình chung c a nó, bao gồm các b c sau đơy:

Bước một:

 Bi u di n hình h c đ i t ng tính toán.

 T o l i ph n t h u h n, khai báo to đ ph n t .  Đ c tr ng hình h c (F, J ...), đ c tr ng v t li u (E, G... ).  Mô t đi u ki n biên, t i tr ng.

Bước hai:

Bi u di n tr ng chuy n v c a ph n t qua chuy n v nút vƠ dùng nguyên lỦ c h c v t r n bi n d ng xơy dựng h ph ng trình đ i s tuy n tính, t đó xơy dựng các ma tr n đ c ng [K], ma tr n kh i l ng [M], véct t i [F] cho t ng ph n t c a k t c u.

Bước ba:

Ghép n i các ma tr n c a ph n t trên c s các liên k t gi a các ph n t sao cho tính liên t c c a chuy n v nút đ c đ m b o. Cu i cùng ta đ c các ma tr n M, C, K vƠ véct P tổng th t o thƠnh mô hình PTHH.

Bước bốn:

Bước năm: Gi i h ph ng trình

 Đ i v i phơn tích tĩnh: l i gi i cho ta chuyển vị, biến dạng, ứng suất, nội lực.

 Đ i v i phơn tích d ng dao đ ng: cho các dạng riêng vƠtần số riêng.  Đ i v i phơn tích đ ng lực h c: cho các chuyển vịđộng.

1.3.2. Mô tả toán học phương pháp PTHH

Gi s U lƠ véct chuy n v nút c a c h h to đ tổng th vƠUe lƠ véct chuy n v nút c a ph n t e trong h to đ đa ph ng, gi a véct U vƠUe có m i liên h

U T

Ue  e , (1.3.2)

trong đó Te lƠ ma tr n chuy n đổi h tr c to đ .

Tr ng chuy n v c a ph n t e lƠ





T

e r x y z t u x y z t v x y z t w x y z t

r  ( , , , ) ( , , , ), ( , , , ), ( , , , ) .

KỦ hi u D lƠ mi n không gian mƠ v t th chi m ch vƠ t ng ng De lƠ mi n mƠ ph n t e chi m ch . Gi s tr ng chuy n v c a ph n t e liên quan v i véc t chuy n v nút ph n t Ue qua bi u th c

) ( ) , ,

(x y z U t

re  e , (1.3.3)

trong đó  đ c g i lƠ ma tr n hƠm d ng c a ph n t . M t khác, m i liên h hình h c có d ng

 

e

 

e e

e  .r  U (t)BU

 , (1.3.4)

 

                                                    x z y z x y z y x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 .

Đnh lu t Hook bi u di n nh sau

e e

e D  DBU

 . , (1.3.5)

v i D lƠ ma tr n h s đƠn hồi đ i x ng DT D ch a các h ng s v t li u vƠ elƠ

tenx ng su t trong ph n t e.

 Đ ng năng c a c ph n t e



 e D e T e

e r r x y z dV

T ( , , )

2

1 _



 ,

 lƠ m t đ phơn b kh i l ng c a ph n t .

 Th năng bi n d ng c a ph n t





   e e D e T T e D e T e

e   dV  D  dV

2 1 2

1

.

S d ng các quan h (1.3.3) - (1.3.5) ta có th bi u di n đ ng năng vƠ th năng c a ph n t nh sau

e e T e

e U U

T    

2 1

,

v i  



 

e D

T

e  dV - ma tr n kh i l ng ph n t vƠ



 



 T _{e e}

e e T T T e

e U B D BU dV U U

2 1 2

1

v i  



e D

T T

e B D BdV - ma tr n đ c ng ph n t .

Tổng h p năng l ng c a các ph n t l i ta đ c







     

 T U U U T TU U U

T e e T

T e T e e T e e

e      

2 1 2 1 2 1

, (1.3.6)

v i 





e

e e T

e T

T - ma tr n kh i l ng tổng th vƠ







      



 U U U T TU UT U

e e T e T e e T e e e 2 1 2 1 2 1

, (1.3.7)

v i  





e

e e T e T

T - ma tr n đ c ng tổng th c a c h .

Gi s t i tr ng phơn b tác d ng lên ph n t bao gồm lực m t vƠ lực kh i có m t đ phơn b l n l t lƠ S(x_s,y_s,z_s,t),R(x,y,z,t). Khi đó công c a các lực nƠy trên chuy n v c a ph n t s b ng





      e e D e T Se e T e D e e T e S

e S rds S U ds p U

A ;





    e e D e T e T e D e T e R

e R rdV R U dV p U

A _Re ,

trong đó





  



 e De

T e T D T e T

Se S ds p R dV

p ; _Re .

Do v y tổng các công c a t t c các lực ngoƠi s b ng





 



 



  e T e T Se e T e Se e R e S

e A p p U p p TU P U

A

A ( ) ( _Re) ( _Re) , (1.3.8)

trong đó đ a vƠo kỦ hi u 





e

Se T

e p p

T

P ( _Re) lƠ véct ngo i lực đ a v nút c a c h hay còn g i lƠ véct lực suy r ng. N u trong thƠnh ph n lực kh i có lực c n t l v i v n t c Rce cere, trong đó ce lƠ h s c n, thì lực suy r ng s có thƠnh ph n t ng ng lƠ

dV c C C T C U C P e D e e e e T e

Gi nguyên các kỦ hi u đƣ đ a vƠo, trong đó hi u lực ngoƠi không có thƠnh ph n lực c n tuy n tính vƠ s d ng nguyên lỦ Lagrange, ta có th thu đ c ph ng trình chuy n đ ng c a h d ng

) ( ) ( )

( )

(t CU t KU t P t U

M     , (1.3.9)

v i các ma tr n M, C, K vƠ véct P đƣđ a vƠo theo các công th c nêu trên.

1.3.3. Phân tích khung không gian (dầm ba chiều)

Ph n t d m ba chi u lƠ tổ h p c a ph n t thanh ch u kéo nén d c tr c, hai ph n t d m hai chi u vƠ ph n t xo n.

y

U4

U6

x z

U7

U9

U8

U1

U2

U3

U5

U12

U11

U10

Hình 1.3.1. Mô hình phần tử dầm 3 chiều

Ta đ a vƠo các b c tự do (hình 1. 3.1.) sau đơy:

7 1,U

U chuy n v d c tr c c a thanh hai đ u.

8 2,U

U chuy n v u n ngang theo tr c y, U3,U9 ậ theo tr c z t i hai đ u thanh.

10 4,U

U góc xo n hai đ u.

11 5,U

U các góc xoay hai đ u thanh theo quanh tr c y, U6,U12 quanh tr c z,

khi đó ta s đ c m t véct chuy n v nút gồm 12 thƠnh ph n U 



U₁,..,U₁₂



T. Ta có các hƠm d ng (1, 2,ầ, 12) sau đơy đ c tìm t các bƠi toán:  Ph ng trình mô t bi n d ng d c tr c

0

2 2

  

x u

v i các đi u ki n biên u(0,t) = U1(t); u(L,t) = U7(t)

nghi m c a bƠi toán u(x,t)1U17U7 (1.11)

 Hai ph ng trình mô t chuy n đ ng u n trong hai m t phẳng YOX vƠ ZOX:



Jy Jz



J x

t x w

EJ ( , ) 0; ,

4 4     (1.3.12)

các đi u ki n biên:

); ( ) , ( ); ( ) , ( ); ( ) , 0 ( ); ( ) , 0

( t U₂ t w t U₆ t w L t U₈ t w L t U₁₂ t

w       trong m t phẳng YOX

); ( ) , ( ); ( ) , ( ); ( ) , 0 ( ); ( ) , 0

( t U3 t w t U5 t w L t U9 t w L t U11 t

w       trong m t phẳng ZOX

nghi m c a bƠi toán lƠ: trong m t phẳng YOX

12 12 8 8 6 6 2 2 ) ,

(x t U U U U

w     , (1.3.13)

trong m t phẳng ZOX

11 11 9 9 5 5 3 3 ) ,

(x t U U U U

w     . (1.3.14)

 Ph ng trình mô t chuy n đ ng xo n:

0 2 2    x

GJ_x  , (1.3.15)

các đi u ki n biên: (0,t)U₄(t); (L,t)U₁₀(t);

nghi m c a bƠi toán lƠ: (x,t)4U4 10U10, (1.3.16)

trong đó:

E ậ modul đƠn hồi, G ậ modul tr t

F ậ ti t di n m t c t ngang L ậ chi u dƠi ph n t

Jx , Jy , Jz các mômen quán tính t ng ng theo các tr c x, y, z.

, ) ( ) ( , 1 ) ( )

( _{4 7 10}

1 L x x x L x x

x      

. ) ( ) ( ; 2 3 ) ( ) ( , 2 ) ( ) ( ; 2 3 1 ) ( ) ( 3 2 12 11 3 2 9 8 3 2 6 5 3 2 3 2                                                                                  L x L x L x x L x L x x x L x L x L x L x x L x L x x x        

Thi t l p các ma tr n

             0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ) ( 11 9 5 3 12 8 6 2 10 4 7 1             x H ,                          0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ) ( 11 9 5 3 12 8 6 2 10 4 7 1             x H , 2 2 ; x x j j j j _         ;

 

               y z x EJ EJ GJ EF E 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ,

 

             F F F F m     0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Khi đó s d ng các công th c đƣ trình bƠy trong ph n chung trên, ta có th nh n đ c các ma tr n ph n t nh sau:

 

 

ij

L T

e H x mH x dx m

M 





0

) ( )

( ,

 

 

ij

L T

e H x E H x dx k

Ta tính các tích phơn



 L _{j k}

jk F x x dx

m 0 ) ( ) (    ,





    

 L _{j k jk x}L _{j k}

jk EF x x dx k GJ x x dx

k 0 0 ) ( ) ( ; ) ( ) (   

 ph n t tính toán cho b c tự do

t ng ng v i các chuy n v d c tr c vƠ chuy n v xo n



 

 L _{j k}

jk EJ x x dx

k 0 ) ( ) ( 

 ph n t tính toán cho b c tự do t ng ng v i các chuy n v

u n J 





J_y,J_z





K t qu tính toán cho ta ma tr n kh i l ng ph n t có d ng

                                               2 4 0 0 0 22 0 3 0 0 0 13 0 2 4 0 22 0 0 0 3 0 13 0 0 140 0 0 0 0 0 70 0 0 0 156 0 0 0 13 0 54 0 0 156 0 13 0 0 0 54 0 140 0 0 0 0 0 70 2 4 0 0 0 22 0 2 4 0 22 0 0 140 0 0 0 156 0 0 156 0 140 420 2 2 FL FL FL FL FL FL FL FL x J J F FL F F FL F F F FL FL FL FL DX x J F F F L M x e 

                                                                      L EJ L EJ L EJ L EJ L EJ L EJ L EJ L EJ L GJ L GJ L EJ L EJ L EJ L EJ L EJ L EJ L EF L EF L EJ L EJ L EJ L EJ DX L GJ L EJ L EJ L EF K z z z z y y y y x x y y y z z z z z y y x y z e 4 0 0 0 6 0 2 0 0 0 6 0 4 0 6 0 0 0 2 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12 0 0 0 6 0 12 0 0 12 0 6 0 0 0 12 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 6 0 4 0 6 0 0 0 0 0 12 0 0 12 0 2 2 2 2 3 2 3 3 2 3 2 2 3 3

Me, Ke ma tr n kh i l ng vƠ ma tr n đ c ng c a ph n t khung không gian trong h tr c to đ đa ph ng xyz c a ph n t . Tuy nhiên h tr c nƠy không trùng ph ng v i h tr c to đ tổng th x’y’z’, do đó tr c khi ghép n i ph n t ph i thực hi n phép chuy n tr c to đ , hay nói cách khác c n tìm M’e vƠ K’e lƠ ma tr n kh i l ng vƠ ma tr n đ c ng c a ph n t trong h to đ tổng th .

e e T e e e e T e

e T M T K T K T

M'  ' 

trong đó Te ma tr n chuy n h tr c to đ kích th c (12  12).

1.3.4. Bài toán dao động riêng của kết cấu

Xét c h h u h n b c tự do xác đnh b i véct to đ suy r ng





T

N

U U U

U  ₁, ₂,.., . BƠi toán dao đ ng riêng c a k t c u h u h n b c tự do đ c mô t b ng ph ng trình

0

 KU U

M .

N u tìm nghi m d ng i t

e U  

trong đó

 t n s dao đ ng riêng,

M  ma tr n kh i l ng c a c h ,

K  ma tr n đ c ng c a c h , đ i x ng, xác đnh d ng.



K 2M



0.

Gi i ph ng trình trên ta có n t n s riêng



1,2,...,n



 các đ i l ng xác đnh d ng vƠ các d ng riêng t ng ng c a các t n s riêng khác nhau tho mƣn tính trực giao

  

  

  

 

  

 

. ,

0 , ;

, 0

,

j i

j i k

K j

i j i m

M _j j _jT _j j

T j

1.4. S

ó

ng v

Ơ

t i tr ng s

ó

ng t

á

c

đ

ng l

ê

n k t c u

Trong tính toán các công trình bi n, các t i tr ng môi tr ng tác đ ng lên k t c u bao gồm: sóng, gió, dòng ch y, nhi t đ . Trong đó t i tr ng sóng đóng vai trò quan tr ng nh t. Khi tính toán đ i v i bƠi toán đ ng lực h c t c lƠ tính toán đ i v i công trình trong tr ng thái đ ng thì t i dòng ch y cũng đóng góp m t ph n đáng k .

Đ tính toán tác đ ng sóng lên k t c u công trình ta thực hi n theo các b c sau:

 Xác đ nh các tham s sóng, áp d ng lỦ thuy t sóng t ng ng đ tìm v n t c, gia t c c a ch t l ng vƠáp lực c a ch t l ng.

 Dùng ph ng trình Morison đ xác đnh t i tr ng sóng tác đ ng lên các ph n t công trình.

Các kỦ hi u đ c s d ng:

H  chi u cao sóng T  chu kỳ sóng

d đ sơu n c bi n  chi u dƠi b c sóng

g  gia t c tr ng tr ng   t n s sóng

 kh i l ng riêng c a n c bi n D đ ng kính ng

c  v n t c truy n sóng CD h s c n kéo c a n c

1.4.1. Các đặc trưng cơ bản của sóng biển

Sóng bi n ch y u do gió gơy ra, lƠ k t qu c a sự t ng tác gi a gió vƠ m t n c bi n. Chính vì th , sóng bi n đ c đ c tr ng ch y u b i hình d ng m t sóng. Đ tính toán tác đ ng c a sóng lên các công trình bi n, thông th ng ng i ta gi thi t ch t l ng lƠ lỦ t ng, không nén đ c vƠ không có chuy n đ ng xoáy, chuy n đ ng đ c coi lƠ có th . Xét tr ng h p sóng phẳng trong m t phẳng XOZ. Gi s

) , (xt

z lƠ ph ng trình m t sóng, khi n c l ng t ng ng z = 0. KỦ hi u u,w lƠ chuy n d ch c a h t ch t l ng có to đ (x, z) theo ph ng x vƠ z, (x,z,t)lƠ hƠm th v n t c th a mƣn

dt dz z t w w dt dx x t u u                   ; .

V i nh ng gi thi t nêu trên ta có các ph ng trình

; 0 2 2 2 2         z x  

 (1.4.1a)





1 ( ) 0;

2 1

0

2 _{   }

   gz p p grad

t  



(1.4.1b)

Ph ng trình (1.4.1a) lƠ ph ng trình Laplas mô t tính liên t c c a ch t l ng, ph ng trình (1.4.1b) lƠ tích phơn đ u Bernoulli. T i m t thoáng (m t bi n ti p giáp v i khí quy n) z(x,t), ta có

t x u t dt dx x z w                     

 , (1.4.2)

t i đáy bi n

0 ;       z w d

z   . (1.4.3)

N u coi z(x,t)0 vƠ b qua các thƠnh ph n b c hai, k t h p ph ng trình (1.4.1-a) vƠ ph ng trình (1.4.3), ta đ c

0 ; 0 : 0 ₂ 2            z g t g t

Nh v y, v n đ d n t i vi c gi i ph ng trình Laplas (1.4.1a) cùng v i các đi u ki n biên (1.4.3), (1.4.4), l i gi i ph thu c vƠo t ng lỦ thuy t sóng hay chính lƠ ph ng trình m t sóng.

1.4.2. Lý thuyết sóng Ery

Trong lỦ thuy t sóng Ery ta có các gi thi t sau:  B m t sóng có d ng hình sin.

 Chi u cao sóng H nh so v i b c sóng  vƠ v i đ sơu n c bi n.

N u l y g c to đ lƠđáy bi n, tr c x h ng theo h ng sóng, tr c z h ng t đáy bi n lên ta có ph ng trình m t sóng

) cos(

2 kx t

H _

  , (1.4.5)

trong đó

T

k  

  2 ; 2   ,

các đ i l ng nƠy liên quan v i nhau qua bi u th c

         

 gT tanh 2 d

2

2 2

, (1.4.6)

t công th c nƠy ta có ph ng trình đ tính b c sóng 

         

 gT tanh 2 d

2

2

, (1.4.7)

v n t c truy n sóng v có d ng

kd k

g T k

v    tanh , (1.4.8)

các thƠnh ph n ngang vƠ d c c a v n t c h t n c có to đ (x,z) theo lỦ thuy t sóng Ery đ c tìm theo bi u th c







kx t



vì chi u cao sóng nh (sóng tuy n tính), các thƠnh ph n gia t c có th xác đnh g n đúng theo công th c

t v a t

v

a x _y y

x _      ,

ta có các bi u th c tính gia t c h t n c









. sin sinh sinh 2 cos sinh cosh 2 2 2 t kx kd kz H a t kx kd kz H a z x          (1.4.10)

1.4.3. Công thức Morison

V n đ quan tr ng trong đ ng lực h c công trình bi n lƠ xác đ nh đ c t i tr ng sóng tác đ ng lên công trình. Bi t tr ng v n t c c a ch t l ng trong chuy n đ ng sóng có th tính toán đ c tác d ng c a sóng lên m t v t th n m trong n c. Công th c Morison cho phép ta tính đ c lực tác d ng c a sóng trên m t đ n v chi u dƠi hình tr xiên



M



td D td



td



M v C Dw v w v

D C

w D C

f          

2 1 4 1 4 2 2 

 , (1.4.13)

w

w,   v n t c vƠ gia t c h t n c theo ph ng ngang,

vtd  v n t c t ng đ i c a v t,

D đ ng kính c a ng tr .

ThƠnh ph n phi tuy n wvtd



wvtd



có th tuy n tính hoá vƠ l y giá tr trung

bình thay cho giá tr tuy t đ i ta thu đ c



M



td D D td

M v C Dww C Dwv

D C

w D C

f         

2 1 4 1 4 2 2 

 . (1.4.14)

Đ i v i sóng Ery v n t c trung bình có th l y

 3 8Ei

w 

kd kz H E_i sinh cosh 2   .

Ta xét t i m t nút th i c a k t c u; G i Ai , Vi  di n tích ch n sóng t ng đ ng vƠ th tích chi m ch t ng đ ng c a các ph n t có liên k t v i nút i quy v nút i, vi lƠ v n t c c a nút th i. Ta có bi u th c lực sóng tác đ ng lên nút i nh sau:



_M



_{i i D i D i i}

i M

i C Vw C Vv C Aww C Awv

F      

2 1 1 

 . (1.4.15)

S d ng lỦ thuy t sóng Ery ta có



kx t



kd kz H

w

v_xi   cos _i 

sinh cosh

2 ,



kx t



kd kz H

w

a_xi   cos _i 

sinh cosh 2

2

 .

Ta có công th c:



M



i i i i D i i i

i F kx t C Awv C Vv

F  ₀ sin(   )  1  , (1.4.16)

trong đó





2

2

0

2

1_{  }

i M i

D i

i E C Aw C V

F  

               i M i D i V C w A C g 2

arctan đ l ch pha,

w A C_{D i}

  h s c n kèm,



CM 1



Vi

  kh i l ng kèm.

Theo tiêu chu n quy ph m c a M đ i v i các thanh hình tr không gian thì:

1.5. Ph n m m

á

p d ng cho t

í

nh to

á

n

1.5.1. Phần mềm SAP2000

Hi n nay ngƠnh Tin h c đang pháp tri n m t cách vũ bƣo, nh t lƠ các s n ph m ph n m m chuyên d ng. Đ ph c v tính toán các k t c u dựa trên ph ng pháp ph n t h u h n, m t s các ch ng trình ra đ i nh : SAP86, SAP90, SAMCEF, TRIAS, SAP2000, NASTRAN...

SAP2000 (Structural  Analysis  Program): ph n m m k th a vƠ pháp tri n c a SAP90.

Kh năng phơn tích c a SAP2000 bao gồm

Phân tích tĩnh (static analysis)

l i gi i cho ph ng trình K.u = r

K  ma tr n đ c ng tổng th c a k t c u, u  véct d ch chuy n,

r  véct t i tr ng.

Phân tích trạng thái điều hòa (harmonic steady state analysis)

Tính toán l i gi i cho ph ng trình: Ku

 

t Mu

   

t r t  pcos

 

t

K  ma tr n đ c ng tổng th c a k t c u, M  ma tr n kh i l ng tổng th (quy v nút), r(t) = pcos(t) d ng t i tr ng.

Phân tích dạng dao động (modal analysis for vibration modes)

Đ i v i phơn tích d ng dao đ ng, SAP2000 s d ng hai ph ng pháp Eigenvector vƠ Ritzvector, k t qu cho d ng dao đ ng tự nhiên vƠ t n s riêng c a k t c u. Các d ng dao đ ng tự nhiên th hi n ng x c a k t c u, chúng cũng đ c s d ng lƠ n n t ng cho phơn tích phổ ph n ng (response spectrum) vƠ (time history).

Phơn tích Eigenvector: tính toán tr riêng vƠ vector riêng c a bƠi toán

0 ) (K2M 

K  ma tr n đ c ng c a k t c u,

M  ma tr n kh i l ng c a k t c u (kh i l ng đ a v các nút c a ph n t , các giá tr n m trên đ ng chéo c a ma tr n),

 các giá tr riêng,  véct riêng.

Phân tích phổ phản ứng đối với địa chấn

L i gi i cho ph ng trình

Ku

 

t Cu

 

t Mu

 

t m_xU_gx

 

t m_yU_gy

 

t m_zU_gz

 

t

trong đó C lƠ ma tr n c n (h s gi m ch n).

Phân tích phản ứng động lực học đối với time history

L i gi i cho ph ng trình Ku

 

t Cu

 

t Mu

 

t r(t)

trong đó r(t): t i tác d ng.

Vi c tính toán đ c s d ng ph ng pháp tích phơn trực ti p vƠ ph ng pháp chồng mode.

Hai trong các ứng dụng của SAP trong phân tích kết cấu được sử dụng trong

luận văn này là: Phân tích dao động riêng và phân tích phản ứng động lực học.

1.5.2. Phần mềm tính toán tải trọng sóng tác động lên công trình

Ch ng trình WF2000 lƠ ph n m m đ c thi t l p vƠ phát tri n t i Vi n C h c dùng đ tính t i tr ng sóng tác đ ng lên các k t c u công trình bi n có các ph n t kích th c nh (D/ < 0.2).

Đ u vƠo c a ch ng trình WF2000 bao gồm:

Các thông s k t c u: To đ nút, kích th c hình h c c a ph n t , thông s v chuy n đ ng t ng đ i c a k t c u so v i n c.

K t qu c a ch ng trình:

 T i tr ng tĩnh: c ng đ t i tr ng phơn b ph n t , t i tr ng quy v các nút c a k t c u.

 T i tr ng đ ng: biên đ lực đ ng lƠ hƠm th i gian quy v nút, kh i l ng n c kèm c a t ng nút.

1.5.3. Chương trình đánh giá các tham số mô hình của mô hình tham số

Đơy lƠ ch ng trình tác gi thi t l p đ tính cực ti u hóa hƠm m c tiêu phi tuy n v i rƠng bu c tuy n tính dựa trên ph ng pháp Quasi Newton vƠ finite  difference gradient.

u x l

x J

 

) ( min

N i dung c a ch ng trình:

Gi thi t đo đ c n t n s riêng * 



₁*,₂*,...,*_n



, hƠm m c tiêu đ c ch n lƠ sai s gi a t n s đo vƠ t n s tính toán đ t cực ti u.

min )

(x  *  J

U j j L

j x x

x   ,

trong đó  



1,2,...,n





- các t n s tính toán có quan h n v i tham s mô hình x



x1, x2,..., xm



,



đ c tính toán dựa trên ph n m m SAP2000. Tham s mô hình lƠ các tham s đ c ng c a ph n t lò xo trong mô hình tính toán.

HƠm m c tiêu có d ng





 m _{j j}

x J

1

2 *

) (

)

(   .

K t q a tính toán cho ta các giá tr c a các tham s ch n đoán (đ c ng lò xo)



x x xm



x  ₁, ₂,..., .

Chương trình sử dụng các hàm toán học trong thư viện toán học IMSL của

Thu t toán ch ng trình tính toán tham s mô hình c a mô hình tham s

B  ma tr n Hessan, g  giá tr gradient t i đi m tính toán  h s xác đnh đ dƠI c a b c đI theo hu ng gradient

s  gia s tính ma tr n Hessan

Init x

Sapre.ex e

Output  , J(x)

Sapgon.ex e

File Out File

Update.S2K Init x0 Rn ; B = I

n = 0;  (0;1]

s = xn+1-xn ;y = gn+1 -gn

n

g B d  1

d x xn1 n 

n=n+1

s y yy Bs s

B Bss B

B _T

T

T T

 



 

 ) (x_in 1

g , i

n i

i x u

l  1 )

(x_in1

g < 0, n1

i

x = ui

) (x_in1

g > 0, n1

i

x = li

print xn+1

True False

Call Sub J(x)

Call Sub J(x)

CH

NG 2 THI T L P M

Ọ

H

Ì

NH PH

Ể

N T

ệ

CH C

Ọ

NG

TR

Ì

NH DKI

Mô hình phơn tích k t c u có nh h ng l n đ n tính chính xác c a kết quả tính toán vƠđánh giá khả năng làm việc cũng nh khả năng chịu lực c a k t c u.

Mô hình hoá k t c u công trình DKI b ng mô hình ph n t h u h n v i các ph n t không gian 3D. Mô hình đ c thi t l p dựa ch y u vƠo các hồ s thi t k .

Có hai ph ng án thi công cho vi c gia c s a ch a công trình DKI, ph ng án ôm chơn c t vƠ ph ng án m r ng chơn đ . M t s công trình DKI đƣđ c gia c s a ch a v i hai ph ng án nƠy:

 Công trình DKI/2, DKI/7, DKI/9 ph n gia c lƠ kh i bê tông ôm chơn c t.  Đ i v i công trình DKI/8, DKI/12, DKI/15 gia c theo ph ng pháp m

r ng chơn đ .

Vi c đánh giá hi u qu c a công tác gia c , s a ch a dựa vƠo hai mô hình, đó lƠmô hình trước khi gia cố vƠmô hình sau khi gia cố. Do đó lu n văn s đi sơu vƠo thi t l p các mô hình cho hai công trình tiêu bi u đ i v i hai d ng ph ng án, công trình DKI/9 v i ph ng án gia c ôm chơn c t vƠ công trình DKI/12 v i ph ng án gia c m r ng chơn đ .

Đ đánh giá s b hi u qu gia c , s a ch a nh vƠo vi c so sánh hi u qu thực t (đ c tính toán qua các t n s đo đ c) vƠ hi u qu thi t k qua t n s riêng c a k t c u tác gi thi t l p mô hình tính toán thiết kế.

Đánh giáđ b n v ng c a công trình ph i dựa vƠo vi c thi t l p mô hình thực trạng c a k t c u ch u tác đ ng c a t i tr ng thi t k , mô hình thực tr ng chính lƠ l i gi i các tham s ch n đoán c a mô hình tham s . Đ tính toán đ c hi u q a s d ng c a công tác s a ch a công trình DKI chính lƠ xu t phát t vi c thi t l p các

2.1. C u t o v

Ơ

hi n tr ng m t s c

ô

ng tr

ì

nh DKI

2.1.1. Công trình DKI/9

a) Vị trí địa lý

Công trình DKI/9 đ c xơy dựng t i bƣi Ba Kè, h ng Đông B c vƠ hoƠn thƠnh ngƠy 19/8/1993, có t a đ đa lỦ nh sau:

 Kinh đ 111044’00Ằ Đ,  Vĩđ 7052’00ẰB,

Mực n c trung bình 15m.

b) Thông số kỹ thuật công trình

Tổng chi u cao công trình 35,7m, tổng tr ng l ng 514T.

c) Đặc điểm cấu tạo

 Hệ móng cọc: ng 720x20, chi u dƠi tổng th 50m, đ sơu c c c m vƠo lòng đ t 21,6  22m, đ nghiêng c c 6,30;

 Khối chân đế: lƠ khung thép ng chi u cao (t đáy bi n) 27,3m, di n tích đáy d i 12,4x12,4m2, đáy trên 8x8m2;  Khung nối: lƠ khung hình lăng tr cao 3,4m lƠm b ng thép ng 580x12;

 Khối thượng tầng: sƠn ch u lực, nhƠ , sƠn công tác, không có sơn bay.

2.1.2. Công trình DKI/12

a) Vị trí địa lý

Hình 2.1. DKI/9

Hình 2.2. DKI/12

Kh i th ng

t ng

Khung n i

Kh i chơn

Công trình DKI/12 đ c xơy dựng t i bƣi T Chính, h ng Đông B c vƠ hoƠn thƠnh ngƠy 9/8/1994, có t a đ đa lỦ nh sau:

 Kinh đ 109037’31Ằ Đ,  Vĩđ 7029’24ẰB,

Mực n c trung bình 19,5m.

b) Thông số kỹ thuật công trình

Tổng chi u cao công trình lƠ 40,19m, tổng tr ng l ng 410T.

c) Đặc điểm cấu tạo

 Hệ móng cọc: lƠm b ng thép ng 720x20, chi u dƠi tổng th 52,5m, đ sơu c c c m vƠo lòng đ t 21,4  24,4m,đ nghiêng 8,20;

 Khối chân đế: lƠ khung thép ng chi u cao (t đáy bi n) 26,5m, di n tích đáy d i 13,4x13,4m2, đáy trên 8x8m2;

 Khung nối: lƠ khung hình lăng tr cao 9m lƠm b ng thép ng 610x12,7;  Khối thượng tầng: sƠn ch u lực, nhƠ , sƠng công tác, không có sơn bay.

2.2. M

ô

h

ì

nh ho

á

thi t k c

ô

ng tr

ì

nh DKI

2.2.1. Mô hình thiết kế công trình trước khi gia cố

2.2.1.1. Mô hình tính toán thi t k công trình DKI/9 tr c khi gia c

K t c u bao gồm 52 nút v i các giá tr t a đ đ c l y t hồ s thi t k vƠđ c mô t chi ti t trong ph n ph l c.

Ph n th ng t ng c a công trình có tổng kh i l ng lƠ 201,4T đ c quy đổi v t i tr ng nút (Hình

2.3 vƠ Hình 2.5) 1, 2, 3, 4 c a k t c u. Đi u nƠy không lƠm nh h ng đ n k t qu tính toán t n s riêng cũng nh chuy n v c a công trình.

Kh i chơn đ vƠ kh i khung n i lƠ ph n phía trên n n san hôđ c mô t lƠ các ph n t d m cổ đi n bao gồm 104 ph n t v i các thông s đ c tr ng đ c mô t chi ti t trong ph n ph l c.

Ph n b n c p tƠu có tổng tr ng l ng lƠ 9.45T. Trong mô hình nƠy tác gi không đ a vƠo d ng ph n t d m, mƠ chỉ đ a vƠo d i d ng kh i l ng quy đổi v các nút (Hình 2.4 vƠHình 2.5) 25, 28, 30 trong k t c u.

Ph n c c  n n: Venkataramana 1989 đƣ thi t l p công th c mô t liên k t n n vƠ móng c c c a công trình bi n (c c đƣ đ c đóng đ n đ ch i vƠ c c đ dƠi trong n n) b ng thực nghi m nh sau, đ a vƠo các ph n t lò xo đƠn hồi t i n i ti p giáp c c  n n v i các giá tr đ c ng lƠ:

75 . 0

3

2

        

p s p h

E E r

I E

K (đ c ng lò xo ngang "horizon")

25 . 0

6 . 1

        

p s p t

E E r

I E

K (đ c ng lò xo xo n "torsion") (2.1)

trong đó

Es modul đƠn hồi c a n n,   h s Poisson c a đ t,

Ep  modul đƠn hồi c a v t li u c c,

I  mômen quán tính m t c t c a c c, r  bán kính c a c c.

Đồng th i theo quy ph m c a DNV đ mô t liên k t gi a c c vƠ n n, có th mô t nh m t ngƠm đƠn hồi có các đ c ng nh sau

  

2 8Gr

K_h (đ c ng lò xo ngang "horizon"),

  

1 4Gr

K_v (đ c ng lò xo thẳng đ ng "vertical"),









1 3

8Gr3

K_r (đ c ng lò xo xoay "rotation"),

3 16Gr3

K_t  (đ c ng lò xo xo n "torsion"). (2.2)

trong đó G  modul đƠn hồi tr t c a đ t,  h s Poisson c a đ t,

r  bán kính c a c c.

K t h p v i công th c thực nghi m c a Venkataramana (2.1) vƠ công th c theo quy ph m DNV (2.2) ta có th xác đ nh

h v K K ) 1 ( 2 2     





   1 2 t r K

K , (2.3)

trong đó