Tải trọng tác động

Chöông 1 TAÛI TROÏNG TAÙC ÑOÄNG 1. Giôi thieäu : Taát caû nhöõng coâng trình thöïc teá luoân chòu söï taùc ñoäng cuûa taûi troïng ñoäng, phuï thuoäc vaøo thôøi gian laøm gia taêng ñaùp öùng ñoäng . Vaán ñeà quan troïng nhaát ñoái vôùi nhöõng coâng trình bieån laø taûi troïng ñoäng do soùng gaây ra . 2. Phöông trình Morison : Ñeå tính toaùn taûi troïng do soùng leân keát caáu cöùng phaûi thöøa nhaän giaû thuyeát taûi troïng cuûa soùng laø haøm tuyeán tính cuûa toång löïc caûn vaø löïc quaùn tính khi doøng chaûy xuyeân qua coâng trình . Hôïp löïc ñoái vôùi chieàu daøi vi phaân ds cuûa thanh hình truï naèm trong chaát loûng phöông trình Morison cho bôûi : Trong ñoù : F – Hôïp löïc taùc duïng leân hình truï h - Chieàu cao möïc nöôùc töùc thôøi r - Troïng löôïng rieâng cuûa nöôùc U – Vaän toác cuûa phaàn töû nöôùc - Gia toác cuûa phaàn töû nöôùc, vuoâng goùc vôùi truïc cuûa phaàn töû keát caáu . D – Chieàu roäng hoaëc ñöôøng kính cuûa maët caét hình truï A – Dieän tích maët caét ngang cuûa maët caét hình truï ds – Chieàu daøi vi phaân cuûa hình truï theo phöông ñöùng CD – Heä soá caûn Cm - Heä soá quaùn tính Ñeå tìm ñöôïc hôïp löïc F caàn phaûi xaùc ñònh caùc ñaëc tröng veà vaän toác, gia toác cuûa phaàn töû nöôùc, caùc heä soá caûn CD vaø heä soá quaùn tính Cm . 3 . Taûi troïng soùng : Taûi troïng soùng ñöôïc tính toaùn töø phöông trình chuyeån ñoäng cuûa Morison , neáu giaû thuyeát raèng chuyeån ñoäng khoâng aûnh höôûng ñeán baûn thaân keát caáu . Ñieàu naøy coù nghóa laø ñaëc tröng kích thöôùc cuûa keát caáu khoâng vöôït quaù 0.2 laàn chieàu daøi soùng . Ñoái vôùi nhöõng keát caáu lôùn , tham soá cuûa soùng ñoái vôùi keát caáu phaûi keå ñeán lyù thuyeát nhieãu xaï cuûa soùng . Khi : D/L>1 ñieàu kieän phaûn xaï haàu nhö hoaøn toaøn D/L>0.2 , nhieãu xaï baét ñaàu gia taêng D/L<0.2 , Coâng thöùc Morison môùi coù yù nghóa . D/W>0.2 , löïc quaùn tính chieám öu theá D/W<0.2 , löïc caûn chieám öu theá Trong ñoù : D – Chieàu roäng hoaëc ñöôøng kính caáu kieän L – Chieàu daøi soùng W – Chieàu roäng quyõ ñaïo haït nöôùc cho bôûi Trong ñoù : H – chieàu cao soùng d – chieàu saâu nöôùc Moät soá giaû thuyeát khi söû duïng phöông trình Morison : 1 – Vaän toác vaø gia toác töùc thôøi theo lyù thuyeát soùng tuyeán tính vaø kích thöôùc cuûa keát caáu khoâng aûnh höôûng ñaëc tröng cuûa soùng . Giôùi haïn kích thöôùc cuûa keát caáu ñeå söû duïng phöông trình Morison laø : D/L£0.2 ÔÛ ñaây : D – Chieàu roäng caùc thaønh phaàn keát caáu L – Chieàu daøi soùng Chieàu daøi cuûa soùng ñöôïc xaùc ñònh töø caùc ñaëc tröng cuûa soùng nhö chieàu cao soùng H, chu kyø soùng T vaø chieàu saâu nöôùc d. 2 – Heä soá CD vaø Cm xaùc ñònh töø thí nghieäm . Thaønh phaàn löïc caûn laø do löu chaát taùc duïng leân coâng trình vaø löïc caûn ñöôïc xaùc ñònh töø doøng chaûy ñeàu . Heä soá caûn phuï thuoäc vaøo heä soá Reynold . Trong thöïc haønh giaù trò cuûa Reynold ñöôïc laáy laø giaù trò trung bình vaø ñöôïc duøng tính toaùn taïi moïi ñieåm cuûa soùng . Heä soá Cm ñöôïc laáy tuyø thuoäc vaøo hình daïng cuûa keát caáu . Giaù trò cuûa Cm tra baûng Baûng 1.1 Heä soá caûn cuûa moät soá keát caáu thoâng duïng Hình daïng maët caét CD Hình daïng maët caét CD OR 2.0 1.9 r b 0.6 1.3 r b 0.5 1.3 2.0 1.3 b 1.5 0.5 Baûng 1.2 Heä soá quaùn tính cuûa moät soá keát caáu thoâng duïng Daïng maët caét Cm 2.0 2.5 2.5 b A=D2 1.6 2.3 2.2 3 – Daïng chuaån cuûa phöông trình Morison giaû thuyeát raèng keát caáu laø cöùng khi löïc taùc duïng . Tuy nhieân neáu keát caáu coù ñaùp öùng ñoäng hoaëc coù moät phaàn noåi chuyeån ñoäng kích thích vôùi vaän toác Ub, vaø gia toác ñoái vôùi vaän toác vaø gia toác cuûa phaàn töû nöôùc . Trong tröôøng hôïp naøy daïng ñoäng hoïc cuûa phöông trình coù theå vieát : Trong ñoù : Ub- Vaän toác gia taêng do maët caét cuûa keát caáu - gia toác töông öùng cuûa maët caét keát caáu M – Khoái löôïng cuûa maët caét keát caáu 4 – Phöông trình Morison söû duïng giaù trò CD cho löïc doïc truïc keát caáu vaø chæ aùp duïng cho nhöõng caáu kieän coù löïc ma saùt nhoû . 4 . Lyù thuyeát soùng tuyeán tính Caùc phöông trình chuû ñaïo vaø ñieàu kieän bieân ñöôïc tuyeán tính hoaù baèng caùch duøng 3 giaû thieát : i) Vaän toác u vaø ñöôøng maët soùng h laø caùc giaù trò nhoû . ii ) Doøng chaûy hai chieàu . iii) Ñoä saâu khoâng thay ñoåi . Phöông trình maët soùng coù daïng : h(t) = asin(kx-wt) hoaëc trong ñoù : H : chieàu cao soùng , H = 2* a k: soá soùng , k = 2p /L w : taàn soá soùng , w = 2p/T T : Chu kyø soùng . Toác ñoä soùng cho bôûi : d: chieàu saâu nöôùc vaø Neáu thì Khi c= L/T vaø co = Lo/T , thì L/Lo=tanh(2p/L) ÔÛ ñaây trong ñoù T : tính baèng giaây(s) L : Tính baèng (m) Vaän toác vaø gia toác theo phöông ñöùng vaø phöông ngang taïi moät ñieåm theo thôøi gian t cho bôûi: Trong vuøng nöôùc saâu d/L³ 0.5, vaän toác trôû thaønh Aùp suaát döôùi maët nöôùc cho bôûi phöông trình sau : Toång naêng löôïng cuûa soùng treân moät ñôn vò chieàu roäng ñænh soùng Löïc treân moät ñôn vò chieàu daøi ñænh soùng : 5 .Lyù thuyeát soùng phi tuyeán : Khi chieàu cao soùng töông ñoái lôùn, khoâng theå boû qua caùc soá haïng phi tuyeán trong lyù thuyeát soùng tuyeán tính (soùng coù bieân ñoä nhoû ). 5.1. Lyù thuyeát soùng Stokes : Lyù thuyeát soùng Stokes ñöôïc aùp duïng trong vuøng nöôùc saâu Phöông trình maët soùng coù daïng : Vôùi : Vaø : Khi ñoù : Vôùi : Coù theå vieát h(t) döôùi daïng sau : Phöông trình vaän toác haït nöôùc cho bôûi : Trong vuøng nöôùc saâu : ÔÛ ñaây S’ quó ñaïo haït nöôùc phaùi treân ñöôøng möïc nöôùc S’ = y , vôùi S= d phía treân ñaùy bieån . 5.2 . Lyù thuyeát soùng ñôn : Coù daïng cuûa caùc soùng cnoidal laø haøm tuaàn hoaøn nhöng coù xu höôùng trôû thaønh moät soùng khoâng tuaàn hoaøn khi coù moät ñænh soùng k ® 1. Soùng giôùi haïn naøy ñöôïc goïi laø soùng ñôn . d Ñaùy bieån H h y x Sô ñoà ñònh nghóa cuûa moät soùng ñôn Caùc keát quaû chính cuûa lôøi giaûi baäc 1 cuûa lyù thuyeát soùng ñôn Trong ñoù : H – Laø chieàu cao cuûa soùng h - Cao trình maët nöôùc d – Chieàu saâu nöôùc c – Vaän toác soùng cho bôõi Vaän toác vaø bieân ñoä cuûa nöôùc cho bôõi 5.3. Lyù thuyeát soùng Cnoidal: Lyù thuyeát soùng Cnoidal ñöôïc aùp duïng khi 1/50 <d/L<1/10 . Lyù thuyeát naøy quan taâm ñeán soá haïng baäc hai,do ñoù cho keát quaû chính xaùc hôn . Chi tieát laäp thaønh baûng ôû phaàn sau 5.4. Baûng coâng thöùc tính toaùn caùc ñaëc tröng cuûa vaän toác vaø gia toác söû duïng trong phöông trình Morison : Tính toaùn cho soùng hình sin vaø soùng Cnoidal . BAÛNG TÍNH TOAÙN LÖÏC SOÙNG Qui öôùc c = Pha vaän toác cg = Vaän toác nhoùm E = Maät ñoä naêng löôïng S = Toång caùc thaønh phaàn (=S(m)) Ef = Naêng löôïng cuûa doøng Fm = Ñoäng löôïng cuûa öùng suaát taùn xaï Fp = Aùp löïc cuûa öùng suaát taùn xaï Fw = Toång öùng suaát taùn xaï (= Fm+Fp) g = Gia toác troïng tröôøng d= chieàu saâu nöôùc töø möïc nöôùc trung bình tôùi ñaùy bieån Dh = Ñoä haï cuûa soùng H = Chieàu cao soùng k = Soá soùng (=2p/L) K = Soá haïng thöù nhaát cuûa moät elliptic hoaøn chænh K(=m) ) L = Chieàu daøi soùng m = Thoâng soá cuûa haøm elliptic m1 = Heä soá elliptic boå sung (=1 – m) MEL = Möùc naêng löôïng MWL = Möïc nöôùc trung bình (y= 0 taïi MWL) p = Aùp löïc soùng p+ = Aùp löïc giôùi haïn (= p+rgz) T = Chu kyø soùng u = Vaän toác haït nöôùc theo phöông ngang U = Heä soá Stokes (=HL2/d3) v = Vaän toác haït nöôùc theo phöông ñöùng a = Bieân ñoä theo phöông ngang haït nöôùc b = Bieân ñoä haït nöôùc theo phöông ñöùng h = Chieàu cao ñöôøng maët thoaùng r = Trong löôïng rieâng cuûa nöôùc SOÙNG HÌNH SIN 1 Caùc thoâng soá: Cho d vaø T, xaùc ñònh L,c Tính Tính d/Lo tìm tanh kd Xaùc ñònh L =Lo tanh kd , kieåm tra * Xaùc ñònh c = L/T (Cho giaù trò cuûa d,L: tìm d/Lo töø d/L trong baûng 1 vaø do ñoù xaùc ñònh T) 2 Vuøng nöôùc noâng : Cho Ha vaø T(hoaëc La ) ôû chieàu saâu nöôùc da 1 Xaùc ñònh hb vaø Lb ôû chieàu saâu nöôùc db Xaùc ñònh L0 töø 1 Vaø Ha/Ho töø baûng 1 vaø tìm Ho Xaùc ñònh Lb töø vaø tìm Hb , kieåm tra* *Tính U º HL2/d3 Neáu U<15 :Aùp duïng lyù thuyeát soùng hình Sin (ST) Neáu U>15 vaø d/ Lo < 0.1 : Lyù thuyeát soùng Cnoidal (CT) cho keát quaû tin caäy hôn Neáu U>15 vaø d/Lo >0.1 : CT voâ nghóa vaø ST cuõng khoâng tin caäy BAÛNG COÂNG THÖÙC Soá haïng Ñôn vò( SI) Bieåu thöùc chung Nöôùc saâu Nöôùc noâng (Trong khoaûng ) 0<<: 0.50<<: 0<<0.050 (Trong khoaûng ) 0<<: 0.50<<: 0.50<<0.050 c (m/s) cg (m/s) 0.5(c(1+G) 0.5co c E (J/m2) Ef (W/m) Fm (N/m) Fp (N/m) 0 Fw (N/m) G 0 1 Dh (m) 0 pmax (N/m) P+max-rgy P+max,0-rgy P+max (N/m) + umax (m/s) + vmax (m/s) + a (m) + b (m) + Ghi chuù : + Daáu coäng söû duïng cho tröôøng hôïp y< d/2 SOÙNG CNOIDAL 1 2 Caùc thoâng soá 1.1 Cho d ,H vaø T, xaùc ñònh L,c Tính H/d vaø T (g/d)0.5 Tìm L/d töø baûng 3 vaø töø ñoù tìm ñöôïc L Xaùc ñònh c = L/T 1.2 Cho d, H vaø L , xaùc ñònh c,T Kieåm tra * tính UºHL2/d3 Tìm A töø baûng 2 Xaùc ñònh c = (gd(1+AH/d))0.5vaø T=L/c Vuøng nöôùc noâng Cho Ha vaø T(hoaëc La ) ôû chieàu saâu nöôùc da Xaùc ñònh Hb vaø Lb ôû chieàu saâu nöôùc db 1 Xaùc ñònh L0 söû duïng 1.1 , hoaëc T vaø Lo söû duïng Tính Ua vaø tìm Ba töø baûng 2 Tính Ho=4Ha(BaLa/Lo)0.5 Tính db/Lo vaø Ho/Lo Kieåm tra * : Xaùc ñònh Hb/Ho töø baûng 4 vaø töø Hb xaùc ñònh ñöôïc Lb duøng 1.1 * Neáu d/Lo>0.10(hoaëc d/L>0.13) lyù thuyeát Cnoidal ít coù yù nghóa vaø lyù thuyeát soùng hình Sin ñöôïc aùp duïng cho tröôøng hôïp naøy . COÂNG THÖÙC CÔ BAÛN Soá haïng Ñôn vò A B’ c (m/s) Ef (W/m) rgH2Bc Fm (N/m) 2rgdDh Fp (N/m) rgdDh Fw (N/m) 3rgdDh Dh (m) P (N/m2) p+ - rgy p+max (N/m2) p+min (N/m2) umax (m/s) umin (m/s) U h (m) hmin+Hcn2(0,m) hmax (m) hmin+H hmin (m) q II - Taùc ñoäng do doøng chaûy : Trong phaàn naøy taäp trung ôû hai daïng dao ñoäng cô baûn phuï thuoäc vaøo hình daïng cuûa coâng trình vaø cheá ñoä chaûy roái maø ñaùp öùng ñoäng phuï thuoäc chính vaøo doøng chaûy . Löïc do doøng chaûy taùc ñoäng leân hình truï troøn treân moät ñôn vò chieàu daøi : Trong ñoù : Cm vaø CD laø heä soá caûn vaø heä soá naâng töông öùng . V, töông öùng laø vaän toác vaø gia toác cuûa doøng chaûy . 1 . Doøng chaûy xung quanh hình truï : Khi doøng chaûy chuyeån ñoäng bao quanh hình truï,ôû phía sau hình truï seõ xuaát hieän moät doøng xoaùy . Doøng xoaùy naøy taïo ra löïc dao ñoäng theo phöông vuoâng goùc doøng chaûy goïi laø löïc naâng FL, coù taàn soá fL. Ngoaøi ra theo phöông cuûa doøng chaûy coù löïc caûn FD. Xoaùy cuoän xung quanh hình truï troøn phuï thuoäc vaøo soá Reynold,Re cho bôûi : Trong ñoù : V- Vaän toác doøng chaûy D - Kích thöôùc maët caét ngang n - Heä soá nhôùt . Xoaùy cuoän phuï thuoäc vaøo söï phaân boá vaän toác V cuûa doøng chaûy . Vaø ñeå tieän lôïi söû duïng ñaïi löôïng khoâng thöù nguyeân goïi laø soá Strouhal, cho bôõi : Löïc naâng vaø löïc caûn ñaëc tröng bôõi heä soá CL’,CD vaø CD’ Heä soá dao ñoäng cuûa löïc naâng Heä soá löïc caûn trung bình Heä soá löïc caûn Trong ñoù : r - Khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc A – Dieän tích cuûa maët caét 2 .Ñaùp öùng cuûa keát caáu do xoaùy cuoän : Hieän töôïng coäng höôûng xaûy ra khi taàng soá dao ñoäng cuûa löïc naâng fL baèng vôùi taàng soá dao ñoäng töï nhieân N ,khi ñoù fL = N vaø heä soá Strouhal = 0.2 Þ fLD/V=0.2 Þ Theo phöông cuûa chuyeån ñoäng fD’D/V=0.4 Þ Thoâng soá ñeå xaùc ñònh ñoä lôùn bieân ñoä khi xaûy ra xoaùy cuoän Heä soá ñoä giaûm LOGA cuûa keát caáu d Heä soá giaûm vaän toác V/ND Heä soá khoái löôïng Trong ñoù khoái löôïng hieäu quaû treân moät ñôn vò chieàu daøi,xaùc ñònh bôõi : ÔÛ ñaây : m- Khoái löôïng treân moät ñôn vò chieàu daøi (goàm phaàn ngaäp trong nöôùc vaø treân maët nöôùc) bao goàm khoái löôïng nöôùc theâm vaøo vaø khoái löôïng nöôùc trong loã roãng L’ – Chieàu cao töø vò trí ngaøm cuûa coïc ñeán ñaàu treân cuûa keát caáu y(x) – Daïng haøm daïng x – Tính töø chieàu saâu ngaøm d – Chieàu saâu nöôùc ,tính töø chieàu daøi ngaøm cuûa coïc 3 . Qui luaät dao ñoäng do xoaùy cuoän gaây ra : Dao ñoäng coù theå theo phöông cuûa doøng chaûy hoaëc theo phöông vuoâng goùc vôùi doøng chaûy, phuï thuoäc vaøo tyû soá . Dao ñoäng theo phöông cuûa doøng chaûy xaûy ra khi giaù trò nhoû hôn theo phöông vuoâng goùc vôùi doøng chaûy . 3.1 Dao ñoäng theo phöông doøng chaûy : Dao ñoäng theo phöông cuûa doøng chaûy trong khu vöïc khoâng oån ñònh coù theå gia taêng khi , phuï thuoäc vaøo tyû soá vaø ñöôøng cong oån ñònh cuûa King –1970 . Dao ñoäng theo phöông cuûa doøng chaûy khu vöïc maát oån ñònh thöù hai baét ñaàu xaûy ra khi . Ñieàu kieän khoâng coù kích thích trong daïng goác daõi cung laø Tuøy thuoäc vaøo söï giaûm bieân ñoä cho caû hai khu vöïc maát oån ñònh theå hieän treân hình 1.3 cuûa King- 1974 3.2 . Dao ñoäng theo phöông ngang : Daïng dao ñoäng daõi cung seõ bò khoáng cheá ñoái vôùi maët caét daïng hình troøn khi thoaõ maõn ñieàu kieän Theå hieän treân hình 1.4 tuøy thuoäc vaøo 4 . Dao ñoäng khoâng lieân keát trong nhoùm : Theo keát quaû thöïc hieän cuûa King (1975) dao ñoäng theo phöông ngang doøng chaûy ôû haï löu hình truï seõ caûn trôû khi thoaõ maõn ñieàu keän : 2md/rD2 >30 Sau ñaây laø moät soá bieåu ñoà veà ñaùp öùng cuûa coïc trong doøng trieàu ñöôïc trích töø saùch DYNAMIC OF MARINE STRUCTRES –AIT – Asian instite of Technology –M.G.Hallam BScPhD,N.J.Heaf Beng PhD, L.R. Wootton BScPhD MICE MRAeS- 1977 Dao ñoäng Khu vöïc maát oån ñònh thöù hai Khu vöïc maát oån ñònh thöù nhaát 2.5 2.0 1.5 1.0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.0 1.5 1.0 Khoâng dao ñoäng V/ND Hình 1.2 : Khu vöïc maát oån ñònh cuûa doøng chaûy laø haøm cuûa heä soá caûn vaø khoái löôïng theo phöông doøng chaûy 2.0 1.5 1.0 Khu vöïc maát oån ñònh thöù hai giaù trò cao Khu vöïc maát oån ñònh thöù nhaát giaù trò thaáp Theo phöông chuyeån ñoäng 0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 0.15 0.10 0.05 h Hình 1.3 : Bieân ñoä ñaùp öùng vôùi giaù trò nhoû hôn 3 Giaù trò gaàn 1.9 vaø cao hôn 2.5 Bieân ñoä Ñöôøng kính 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Hình 1.4 : Bieân ñoä ñaùp öùng laø moät haøm cuûa khoái löôïng vaø heä soá caûn theo phöông vuoâng goùc doøng chaûy 104 105 106 107 6 5 4 3 2 0 Hình 1.5 : Doøng chaûy baét ñaàu dao ñoäng theo phöông doøng chaûy vaø vuoâng goùc doøng chaûy trong khu vöïc maát oån ñònh thöù hai Heä soá Renold Re Dao ñoäng baét ñaàu theo phöông vuoâng goùc doøng chaûy Ñænh cuûa dao ñoäng theo phöông vuoâng goùc doøng chaûy Khu vöïc maát oån ñònh thöù hai Baét ñaàu dao ñoäng theo phöông doøng chaûy