TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 10(71).2013 PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CẦU CẢNG THỌ QUANG CHỊU VA ĐẬP CỦA TÀU THỦY VIBRATION ANALYSIS OF THOQUANG PORT-PIERS DUE TO THE IMPACT OF SHIPS Nguyễn Xuân Toản Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng nguyenxuantoan2007@gmail.com Đặng Nguyễn Uyên Phương Đại học Duy Tân TÓM TẮT Cảng Thọ Quang thành phố Đà Nẵng thiết kế xây dựng để tiếp nhận tàu có trọng tải 20000DWT Cảng gồm có kho bãi tiếp nhận hàng, cầu tàu, trụ neo trụ chống va.Tác động lực va tầu cập bến thường lớn chưa nghiên cứu kỹ Hiện kỹ sư phân tích dựa phương pháp tĩnh mà chưa xem xét theo phương pháp động Kết phân tích theo phương pháp tĩnh cịn hạn chế chưa đánh giá tác động động lực lực va đập tàu cập bến Để có thêm thơng tin đánh giá mức độ an tồn kết cấu cơng trình cầu cảng Thọ Quang chịu va đập tàu thủy, tác giả nghiên cứu xây dựng mơ hình máy tính giải toán dao động trụ chống va số chịu va đập tàu thủy Kết nghiên cứu cho thấy trụ chống va số có chuyển vị nằm giới hạn tàu cập bến điều kiện bình thường Từ khóa: Phân tích; dao động; trụ chống va; cảng Thọ Quang; va đập; tàu thủy ABSTRACT Thoquang Port of Danang City has been designed and built to accommodate ships with 20,000 tonnages, including the warehouses that receive and access paths, anchor piers, anti-collision piers and so on The collision of ship force against the board is very powerful However, this has not been studied Currently, some engineers only analyze it statically, but not dynamically The analytical results conducted by the static method is limited and not based on the impact assessment of the ships when they are docked For more information about the safety of Thoquang Port structures during ship collision, the authors have studied the model on the computer to solve the vibration problem of the collision with piers number and The results of the research show that the movement of anticollision piers number and is set within normal limits Key words: Analysis; vibration; anti-collision pier; Tho Quang port; shock; ships Giới thiệu chung Cảng Thọ Quang thành phố Đà Nẵng thiết kế xây dựng để tiếp nhận tàu có trọng tải 20000DWT Cảng gồm có kho bãi tiếp nhận hàng, cầu tàu, trụ neo trụ chống va Khi tàu cập bến, va đập tàu có tải trọng lớn vào kết cấu cầu cảng thường nguy hiểm, dẫn đến phá hoại phần tồn cơng trình Trong tính tốn, kỹ sư thiết kế thường phân tích gần theo phương pháp tĩnh với hệ số an tồn cao khơng đánh giá hết làm việc thực tế cơng trình chịu va đập tàu Điều làm tăng chi phí xây dựng cơng trình Để có tham số xác thiết kế có giải pháp thích hợp đảm bảo cơng trình vừa bền vững với chi phí xây dựng hợp lý, cần có nghiên cứu đầy đủ theo mơ hình tương tác động lực [1], [3]÷[7] Bài tốn phân tích hiệu ứng va đập tàu vào kết cấu cầu cảng Thọ Quang tác giả áp dụng định lý biến thiên động lượng nguyên lý d’Alembert để xây dựng phương trình vi phân chuyển động tồn hệ giải phương trình phương pháp số [2], [8], [9] Cơ sở tính tốn 2.1 Phân tích mơ hình tính tốn Mặt bố trí cọc cắt ngang trụ chống va số Cảng Thọ Quang hình 2, tham khảo tài liệu [1] 45 vào khối tâm đỉnh trụ, (xem hình 3) Trong phạm vi báo tác giả xét hệ làm việc giai đoạn đàn hồi, bỏ qua lượng bị mát biến dạng không phục hồi, ma sát, nhiệt G F D E C B A TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 10(71).2013 Hình Mặt bố trí cọc trụ chống va số Hình Sơ đồ phân tích va tàu vào trụ số 2.2 Lực va tàu vào trụ cầu Lực va tàu vào trụ cầu xác định theo 22TCN 272-05 AASHTO [3]: PS (t ) 1,2.105.v DWT (1) Trong đó: Ps(t) : lực va tàu tĩnh tương đương (N) DWT : trọng tải tàu (Mg) Hình Mặt cắt ngang trụ chống va số Cấu tạo địa chất tham số thiết kế tài liệu [1] Căn vào cấu tạo hệ thống trụ chống va, khối lượng lớn hệ tập trung trọng tâm đỉnh trụ Để đơn giản, ta mơ hình hóa hệ theo mơ hình khối lượng sơ đồ tính hình Khối lượng tương đương bao gồm toàn khối lượng kết cấu phần phần cọc tính từ Lc/2 trở lên tập trung trọng tâm đỉnh trụ chống va Vị trí va đập tàu vào trụ tâm ụ giảm chấn, nằm trục nằm ngang qua tâm đỉnh trụ hình Khi tàu va đập vào trụ, toàn lực va truyền qua ụ giảm chấn truyền 46 v: vận tốc va tàu (m/s) 2.3 Xây dựng phương trình vi phân dao động hệ Xét tàu có khối lượng Mg di chuyển với vận tốc v thời điểm chuẩn bị va đập vào trụ chống va Khi trụ đứng yên nên ta có động lượng hệ (gồm tàu trụ) xác định theo công thức (2): Qox = Mg v (2) Khi tàu va đập vào trụ cầu, xét thời điểm hệ trạng thái cân không chuyển động, động lượng hệ: Q1X = (3) Xung lượng hệ va đập tính theo TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 10(71).2013 giá trị trung bình lực Ps(t): S= -Ps(t).t 2.4.2 Khối lượng tương đương hệ M (4) Áp dụng định lý biến thiên động lượng ta có: Q1x – Qox = S (5) Mg v t 2.4.3 Hệ số cản C (6) Hoặc thời gian va đập: t Mg v Ps (t ) Để xác định hệ số cản C ta phân tích dao động riêng hệ khơng cản (9): M y K y (7) Trong đó: Ps(t): lực va trung bình tàu vào trụ v : vận tốc tàu trước va đập (9) Xác định tần số dao động riêng i sau xác định hệ số cản C theo cơng thức Rayleigh (10), [8]: C M K (10) Các hệ số xác định dựa phương trình (11): t : thời gian trì va đập Mg : khối lượng tàu Xét mơ hình kết cấu hình 3, áp dụng ngun lý d’Alembert ta có phương trình vi phân dao động kết cấu trụ chống va: M y C y K y PS (t ) Trụ số 1: M = 892,5 (T) Trụ số 2: M = 892,5 (T) Thay (2), (3) (4) vào (5) ta có: Ps (t ) Khối lượng tương đương trụ chống va gồm toàn khối lượng kết cấu phần phần cọc tính từ Lc/2 trở lên (8) Trong đó: M: khối lượng trụ chống va K: độ cứng trụ chống va C: hệ số cản nhớt trụ chống va y , y , y: gia tốc, vận tốc biên độ dao động khối lượng M Ps(t): lực va tàu tác dụng vào hệ xác định theo công thức (6) i i (i = 1,2) 2.i (11) Trường hợp hệ có bậc tự i i hệ số xác định theo công thức (12): ; (12) Áp dụng công thức trên, ta xác định hệ số cản C kết cấu tương ứng với 5% (Bảng 1): Bảng Hệ số cản trụ chống va Để phân tích dao động hệ, trước hết ta phải xác định tham số phương trình (8) sau giải phương trình phương pháp số 2.4 Xác định tham số phương trình vi phân dao động 2.4.1 Độ cứng hệ K Phân tích sơ đồ khơng gian phần mềm Sap2000 v.14 ta tìm độ cứng trụ chống va: 2.4.4 Xác định lực va tàu thuyền Áp dụng công thức (1) (7) ta xác định t Bảng 2: Trụ số 1: K=380,807(KN/mm) Trụ số 2: K=366,032(KN/mm) 47 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 10(71).2013 Bảng Thời gian va đập dọc tàu vào trụ Xác định Ps(t) theo công thức (6) thay vào (8) ta có phương trình vi phân dao động Áp dụng tính tốn Tính tốn cho tàu có trọng tải Mg=20000 DWT, vận tốc cập cảng thiết kế Vtt=6,1(m/s) Phương trình dao động trụ chống va 1: 8925.y 184,358 y 380,807 y t