Đang tải... (xem toàn văn)
Luận án Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa
Luận án cao họcChương 1 TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG1. Giơi thiệu : Tất cả những công trình thực tế luôn chòu sự tác động của tải trọng động, phụ thuộc vào thời gian làm gia tăng đáp ứng động . Vấn đề quan trọng nhất đối với những công trình biển là tải trọng động do sóng gây ra . 2. Phương trình Morison :Để tính toán tải trọng do sóng lên kết cấu cứng phải thừa nhận giả thuyết tải trọng của sóng là hàm tuyến tính của tổng lực cản và lực quán tính khi dòng chảy xuyên qua công trình . Hợp lực đối với chiều dài vi phân ds của thanh hình trụ nằm trong chất lỏng phương trình Morison cho bởi : ∫=+=ηρρ02/1dFFdsUACdsUDUCdFmDTrong đó : F – Hợp lực tác dụng lên hình trụη - Chiều cao mực nước tức thời ρ - Trọng lượng riêng của nước U – Vận tốc của phần tử nướcU- Gia tốc của phần tử nước, vuông góc với trục của phần tử kết cấu .D – Chiều rộng hoặc đường kính của mặt cắt hình trụA – Diện tích mặt cắt ngang của mặt cắt hình trụds – Chiều dài vi phân của hình trụ theo phương đứng CD – Hệ số cản Cm - Hệ số quán tính Để tìm được hợp lực F cần phải xác đònh các đặc trưng về vận tốc, gia tốc của phần tử nước, các hệ số cản CD và hệ số quán tính Cm .3 . Tải trọng sóng : Tải trọng sóng được tính toán từ phương trình chuyển động của Morison , nếu giả thuyết rằng chuyển động không ảnh hưởng đến bản thân kết cấu . Điều này có nghóa là đặc trưng kích thước của kết cấu không vượt quá 0.2 lần chiều dài sóng . Đối với những kết cấu lớn , tham số của sóng đối với kết cấu phải kể đến lý thuyết nhiễu xạ của sóng .Khi : D/L>1 điều kiện phản xạ hầu như hoàn toàn D/L>0.2 , nhiễu xạ bắt đầu gia tăngD/L<0.2 , Công thức Morison mới có ý nghóa .D/W>0.2 , lực quán tính chiếm ưu thếD/W<0.2 , lực cản chiếm ưu thếTrong đó : D – Chiều rộng hoặc đường kính cấu kiệnL – Chiều dài sóng Chương mở dầu 1 Luận án cao họcW – Chiều rộng quỹ đạo hạt nước cho bởi LdHWπ2tanh=Trong đó : H – chiều cao sóng d – chiều sâu nước Một số giả thuyết khi sử dụng phương trình Morison :1 – Vận tốc và gia tốc tức thời theo lý thuyết sóng tuyến tính và kích thước của kết cấu không ảnh hưởng đặc trưng của sóng . Giới hạn kích thước của kết cấu để sử dụng phương trình Morison là : D/L≤0.2 ƠÛ đây : D – Chiều rộng các thành phần kết cấu L – Chiều dài sóng Chiều dài của sóng được xác đònh từ các đặc trưng của sóng như chiều cao sóng H, chu kỳ sóng T và chiều sâu nước d.2 – Hệ số CD và Cm xác đònh từ thí nghiệm . Thành phần lực cản là do lưu chất tác dụng lên công trình và lực cản được xác đònh từ dòng chảy đều . Hệ số cản phụ thuộc vào hệ số Reynold . Trong thực hành giá trò của Reynold được lấy là giá trò trung bình và được dùng tính toán tại mọi điểm của sóng . Hệ số Cm được lấy tuỳ thuộc vào hình dạng của kết cấu . Giá trò của Cm tra bảng Chương mở dầu 2 Luận án cao họcBảng 1.1Hệ số cản của một số kết cấu thông dụngHình dạng mặt cắt CDHình dạng mặt cắt CD2.0 1.90.6 1.3 33.0.0=br0.5 1.32.0 1.31.5 0.5Bảng 1.2Hệ số quán tính của một số kết cấu thông dụngDạng mặt cắt Cm2.02.52.51.62.32.23 – Dạng chuẩn của phương trình Morison giả thuyết rằng kết cấu là cứng khi lực tác dụng . Tuy nhiên nếu kết cấu có đáp ứng động hoặc có một phần nổi chuyển động Chương mở dầu 3bA=D2rbrbbOR17.0=br Luận án cao họckích thích với vận tốc Ub, và gia tốc bU đối với vận tốc và gia tốc của phần tử nước . Trong trường hợp này dạng động học của phương trình có thể viết :( ) ( )( )( )bbmbbDUMAdsdsUUACdsUUUUDCF−+−+−−=ρρρ2/1Trong đó : Ub- Vận tốc gia tăng do mặt cắt của kết cấu bU - gia tốc tương ứng của mặt cắt kết cấuM – Khối lượng của mặt cắt kết cấu4 – Phương trình Morison sử dụng giá trò CD cho lực dọc trục kết cấu và chỉ áp dụng cho những cấu kiện có lực ma sát nhỏ .4 . Lý thuyết sóng tuyến tính Các phương trình chủ đạo và điều kiện biên được tuyến tính hoá bằng cách dùng 3 giả thiết : i) Vận tốc u và đường mặt sóng η là các giá trò nhỏ .ii ) Dòng chảy hai chiều .iii) Độ sâu không thay đổi .Phương trình mặt sóng có dạng :η(t) = asin(kx-wt) hoặc −=TtLxHtπη2cos2)(trong đó : H : chiều cao sóng , H = 2* ak: số sóng , k = 2π /Lw : tần số sóng , w = 2π/TT : Chu kỳ sóng .Tốc độ sóng cho bởi :2/12tanh2=LgLcππd: chiều sâu nước và 2/12=πoogLcChương mở dầu 4 Luận án cao họcNếu LdLdLdππ22tanh,251→≤ thì gdc=Khi c= L/T và co = Lo/T , thì L/Lo=tanh(2π/L)ƠÛ đây 2256.12TgTLo==π trong đó T : tính bằng giây(s)L : Tính bằng (m)Vận tốc và gia tốc theo phương đứng và phương ngang tại một điểm theo thời gian t cho bởi: −+=−+=TtLxLdLdyTHvTtLxLdLdyTHuππππππππ2sin/2sinh/)(2sinh2cos/2sinh/)(2cosh−+==−+==TtLxsLdLdyTHtvvTtLxLdLdyTHtuuππππδδππππδδ2cos/2sinh/)(2sin22sin/2sinh/)(2cosh22222Trong vùng nước sâu d/L≥ 0.5, vận tốc trở thành −+==−+==−=−=TtLxsLdLdyTHtvvTtLxLdLdyTHtuuTtLxLyTHvTtLxLyTHuooππππδδππππδδππππππ2cos/2sinh/)(2sin22sin/2sinh/)(2cosh22sin2exp2cos2exp2222p suất dưới mặt nước cho bởi phương trình sau :+=−+=+LdLdTLHgPTtLxsLdLdyHygp/2sinh/2121812cos/2cosh/)(2cosh22ππρπππρTổng năng lượng của sóng trên một đơn vò chiều rộng đỉnh sóng 82gLHEρ=Lực trên một đơn vò chiều dài đỉnh sóng :+=LdLdTLHgP/2sinh/2121812ππρChương mở dầu 5 Luận án cao học5 .Lý thuyết sóng phi tuyến : Khi chiều cao sóng tương đối lớn, không thể bỏ qua các số hạng phi tuyến trong lý thuyết sóng tuyến tính (sóng có biên độ nhỏ ).5.1. Lý thuyết sóng Stokes :Lý thuyết sóng Stokes được áp dụng trong vùng nước sâu Phương trình mặt sóng có dạng : −+−+−=TtLxLdfLaLtLxLdfLaTtLxatπππππη6cos4cos2cos)(323222Với :LdLdLdLdfπππ2sinh22cosh4cosh232+=Và :LdLdLdfππ2sinh22cosh81163663+=Khi đó : +=LdfLaaH323222πLdgLcπβπ2tanh)1(22+=LdgTLπβπ2tanh)41(22+=Với : LdLdaLaπππβ2sinh164cosh14422+=Có thể viết η(t) dưới dạng sau : −+−+−=TtLxALtLxATtLxAtπππη6cos4cos2cos)(321Phương trình vận tốc hạt nước cho bởi : ( ) ( )−++−+=TtLxLdyFTtLxLdyFcuππππ4cos4cosh2cos2cosh21( )−++TtLxLdyFππ6cos6cosh3( ) ( )−++−+=TtLxLdyFTtLxLdyFcvππππ4sin4sinh2sin2sinh21( )−++TtLxLdyFππ6sin6sinh3Trong vùng nước sâu : Chương mở dầu 6 Luận án cao học−′=−′=TtLxLSAcvTtLxLSAcuππππππ2sin2exp22cos2exp211ƠÛ đây S’ q đạo hạt nước phái trên đường mực nước S’ = y , với S= d phía trên đáy biển .5.2 . Lý thuyết sóng đơn :Có dạng của các sóng cnoidal là hàm tuần hoàn nhưng có xu hướng trở thành một sóng không tuần hoàn khi có một đỉnh sóng k → 1. Sóng giới hạn này được gọi là sóng đơn .Sơ đồ đònh nghóa của một sóng đơnCác kết quả chính của lời giải bậc 1 của lý thuyết sóng đơn 22)(43sec−= ctxdHhHηTrong đó : H – Là chiều cao của sóng η - Cao trình mặt nước d – Chiều sâu nướcc – Vận tốc sóng cho bỡi )( dHgc +=Vận tốc và biên độ của nước cho bỡi ++=++=22)/cosh()/cos()/sinh()/sin(1)/cosh()/cos()/cosh()/cos(1dMxdMSdMxdMSNcvdMxdMSdMxdMSNcu5.3. Lý thuyết sóng Cnoidal:Chương mở dầu 7dĐáy biểnHηyx Luận án cao họcLý thuyết sóng Cnoidal được áp dụng khi 1/50 <d/L<1/10 . Lý thuyết này quan tâm đến số hạng bậc hai,do đó cho kết quả chính xác hơn . Chi tiết lập thành bảng ở phần sau 5.4. Bảng công thức tính toán các đặc trưng của vận tốc và gia tốc sử dụng trong phương trình Morison :Tính toán cho sóng hình sin và sóng Cnoidal . BẢNG TÍNH TOÁN LỰC SÓNGQui ước c = Pha vận tốc cg = Vận tốc nhóm E = Mật độ năng lượngΣ = Tổng các thành phần (=Σ(m))Ef = Năng lượng của dòng Fm = Động lượng của ứng suất tán xạ Fp = p lực của ứng suất tán xạ Fw = Tổng ứng suất tán xạ (= Fm+Fp)g = Gia tốc trọng trườngd= chiều sâu nước từ mực nước trung bình tới đáy biển∆h = Độ hạ của sóng H = Chiều cao sóng k = Số sóng (=2π/L)K = Số hạng thứ nhất của một elliptic hoàn chỉnh K(=m) )L = Chiều dài sóng m = Thông số của hàm ellipticm1 = Hệ số elliptic bổ sung (=1 – m) MEL = Mức năng lượng MWL = Mực nước trung bình (y= 0 tại MWL)p = p lực sóng p+ = p lực giới hạn (= p+ρgz)T = Chu kỳ sóngu = Vận tốc hạt nước theo phương ngang U = Hệ số Stokes (=HL2/d3)v = Vận tốc hạt nước theo phương đứng α = Biên độ theo phương ngang hạt nước β = Biên độ hạt nước theo phương đứng η = Chiều cao đường mặt thoángρ = Trong lượng riêng của nướcSÓNG HÌNH SIN Các thông số:Chương mở dầu 81 Luận án cao học Cho d và T, xác đònh L,cTính 2256.12TTgLo==πTính d/Lo tìm tanh kd Xác đònh L =Lo tanh kd , kiểm tra *Xác đònh c = L/T(Cho giá trò của d,L: tìm d/Lo từ d/L trong bảng 1 và do đó xác đònh T) Vùng nước nông : Cho Ha và T(hoặc La ) ở chiều sâu nước da Xác đònh hb và Lb ở chiều sâu nước dbXác đònh L0 từ Và Ha/Ho từ bảng 1 và tìm Ho Xác đònh Lb từ và tìm Hb , kiểm tra**Tính U ≡ HL2/d3Nếu U<15 :p dụng lý thuyết sóng hình Sin (ST) Nếu U>15 và d/ Lo < 0.1 : Lý thuyết sóng Cnoidal (CT) cho kết quả tin cậy hơn Nếu U>15 và d/Lo >0.1 : CT vô nghóa và ST cũng không tin cậyBẢNG CÔNG THỨCSố hạng Đơn vò( SI) Biểu thức chung Nước sâu Nước nôngLd(Trong khoảng )0<Ld<: 0.50<Ld<: 0<Ld<0.050Chương mở dầu 9211 Luận án cao học0Ld(Trong khoảng )0<0Ld<:0.50<0Ld<: 0.50<0Ld<0.050c (m/s)kdgLtanh2π=ππ220gTgL gdcg(m/s) 0.5(c(1+G) 0.5cocE (J/m2)281Hgρ2081Hgρ281HgρEf(W/m)( )GcHg +11612ρ020161cHgρcHg281ρFm(N/m)( )GHg +11612ρ20161Hgρ281HgρFp(N/m)GHg2161ρ02161HgρFw(N/m))21(1612GHg +ρ2161oHgρ2163HgρGkdkdG2sinh2≡0 1∆h (m)GdH1620hH162pmax(N/m) P+max-ρgy P+max,0-ρgyygHgρρ−2P+max(N/m)kddykHgcosh)(cosh+ρ+)exp(200ykHgρ2Hgρumax(m/s)kddykTHsinh)(cosh+π+)exp(00ykTHπcdH2vmax(m/s)kddykTHsinh)(sinh+π+)exp(00ykTHπ+dycdH12α(m)kddykHsinh)(cosh2++)exp(00ykTHdLHπ22β(m)kddykHsinh)(sinh2++)exp(00ykTH+dyH12Ghi chú : + Dấu cộng sử dụng cho trường hợp y< d/2SÓNG CNOIDALCác thông số 1.1 Cho d ,H và T, xác đònh L,cTính H/d và T (g/d)0.5 Tìm L/d từ bảng 3 và từ đó tìm được L Xác đònh c = L/T1.2 Cho d, H và L , xác đònh c,TKiểm tra * tính U≡HL2/d3Chương mở dầu 1021 [...]... bản phụ thuộc vào hình dạng của công trình và chế độ chảy rối mà đáp ứng động phụ thuộc chính vào dòng chảy Lực do dòng chảy tác động lên hình trụ tròn trên một đơn vò chiều dài : 2 1 π D F = C D ρ V 2 D + C mV 2 4 Trong đó : Cm và CD là hệ số cản và hệ số nâng tương ứng V, V tương ứng là vận tốc và gia tốc của dòng chảy 1 Dòng chảy xung quanh hình trụ : Chương mở dầu 12 Luận án cao học Khi.. .Luận án cao học Tìm A từ bảng 2 Xác đònh c = (gd(1+AH/d))0. 5và T=L/c Vùng nước nông Cho Ha và T(hoặc La ) ở chiều sâu nước da Xác đònh Hb và Lb ở chiều sâu nước db Xác đònh L0 sử dụng 1.1 1 , hoặc T và Lo sử dụng Tính Ua và tìm Ba từ bảng 2 Tính Ho=4Ha(BaLa/Lo)0.5 Tính db/Lo và Ho/Lo Kiểm tra * : Xác đònh Hb/Ho từ bảng 4 và từ Hb xác đònh được Lb dùng 1.1 * Nếu... Xoáy cuộn xung quanh hình trụ tròn phụ thuộc vào số Reynold,Re cho bởi : VD Re = Trong đó : V- Vận tốc dòng chảy ν D - Kích thước mặt cắt ngang ν - Hệ số nhớt Xoáy cuộn phụ thuộc vào sự phân bố vận tốc V của dòng chảy Và để tiện lợi sử dụng đại lượng không thứ nguyên gọi là số Strouhal, cho bỡi : fL D S= V Lực nâng và lực cản đặc trưng bỡi hệ số CL’,CD và CD’ FL ' C L' = Hệ số dao động của lực nâng... m- Khối lượng trên một đơn vò chiều dài (gồm phần ngập trong nước và trên mặt nước) bao gồm khối lượng nước thêm vào và khối lượng nước trong lỗ rỗng L’ – Chiều cao từ vò trí ngàm của cọc đến đầu trên của kết cấu y(x) – Dạng hàm dạng x – Tính từ chiều sâu ngàm d – Chiều sâu nước ,tính từ chiều dài ngàm của cọc Chương mở dầu 13 Luận án cao học 3 Qui luật dao động do xoáy cuộn gây ra : Dao động có thể... BScPhD,N.J.Heaf Beng PhD, L.R Wootton BScPhD MICE MRAeS- 1977 Chương mở dầu 14 Luận án cao học Chương mở dầu 15 Luận án cao học 2.5 Khu vực mất ổn đònh thứ nhất Khu vực mất ổn đònh thứ hai Dao động 2.0 V/ND Không dao động 1.5 1.0 0 0.5 1.0 2mδ ρ D2 1.5 2.0 Hình 1.2 : Khu vực mất ổn đònh của dòng chảy là hàm của hệ số cản và khối lượng theo phương dòng chảy η0 Khu vực mất ổn đònh thứ nhất giá trò thấp... xác đònh được Lb dùng 1.1 * Nếu d/Lo>0.10(hoặc d/L>0.13) lý thuyết Cnoidal ít có ý nghóa và lý thuyết sóng hình Sin được áp dụng cho trường hợp này CÔNG THỨC CƠ BẢN Số hạng A Đơn vò B’ Chương mở dầu 2 3E −1− m mK 2 1 1 2 E E B ≡ 2 3m 1 − m1 + (2 − 4m1 ) − m1 − K K m 3 A≡ 11 Luận án cao học c (m/s) Ef Fm Fp Fw ∆h (W/m) (N/m) (N/m) (N/m) (m) P p+max (N/m2) (N/m2) p+min... 0 1.0 1.5 2mδ ρ D2 Hình 1.3 : Biên độ đáp ứng với giá trò (V / ND ) nhỏ hơn 3 Giá trò (V / ND ) gần 1.9 và (V / ND ) cao hơn 2.5 Chương mở dầu 0.5 2.0 16 Luận án cao học 2.5 2.0 Biên độ Đường kính 1.5 1.0 0.5 0 2 4 6 8 2 mδ ρ D2 10 12 14 16 18 Hình 1.4 : Biên độ đáp ứng là một hàm của khối lượng và hệ số cản theo phương vuông góc dòng chảy Đỉnh của dao động theo phương vuông góc dòng chảy 6 5 V ND... chảy hoặc theo phương vuông góc với dòng chảy, phụ thuộc vào tỷ số V / ND Dao động theo phương của dòng chảy xảy ra khi giá trò V / ND nhỏ hơn theo phương vuông góc với dòng chảy 3.1 Dao động theo phương dòng chảy : Dao động theo phương của dòng chảy trong khu vực không ổn đònh có thể gia tăng khi 2 V / ND ≤ 1.9 , phụ thuộc vào tỷ số 2m δ / ρ D và đường cong ổn đònh của King –1970 Dao động theo phương... kích thích trong dạng gốc dãi cung là 2m δ 〉 1.8 ρ D2 Tùy thuộc vào sự giảm biên độ 2m δ / ρ D 2 cho cả hai khu vực mất ổn đònh thể hiện trên hình 1.3 của King- 1974 3.2 Dao động theo phương ngang : Dạng dao động dãi cung sẽ bò khống chế đối với mặt cắt dạng hình tròn khi thoã mãn điều kiện 2m δ 〉 10 ρ D2 Thể hiện trên hình 1.4 tùy thuộc vào 2m δ / ρ D 2 4 Dao động không liên kết trong nhóm : Theo... lượng riêng của nước A – Diện tích của mặt cắt 2 Đáp ứng của kết cấu do xoáy cuộn : Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tầng số dao động của lực nâng f L bằng với tầng số dao động tự nhiên N ,khi đó fL = N và hệ số Strouhal = 0.2 ⇒ fLD/V=0.2 ⇒ V CRIT ≈ 5 ND Theo phương của chuyển động fD’D/V=0.4 ⇒ V CRIT ≈ 2.5 ND Thông số để xác đònh độ lớn biên độ khi xảy ra xoáy cuộn - Hệ số độ giảm LOGA của kết cấu δ . sau 5.4. Bảng công thức tính toán các đặc trưng của vận tốc và gia tốc sử dụng trong phương trình Morison :Tính toán cho sóng hình sin và sóng Cnoidal. 1021 Luận án cao họcTìm A từ bảng 2 Xác đònh c = (gd(1+AH/d))0. 5và T=L/c Vùng nước nông Cho Ha và T(hoặc La ) ở chiều sâu nước da Xác đònh Hb và