đồ án công trình biển cố định 2

tầng được cấu tạo giống như một công trình dân dụng, thoả mãn các nhu cầu của một trạm khí tượng hải văn ngoài biển.Cụ thể :- Khối nhà ở: Gồm nhà ở cho 12 người, chứa các thiết bị đo khí

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG

I - MỤC TIÊU CỦA ĐỒ ÁN:

- Công trình là trạm khí tượng hải văn

- Mục tiêu của đồ án là tính toán thiết kế khối chân đế công trình biển trọng lựcbằng bê tông kiểu DKI trong giai đoạn khai thác

II – SỐ LIỆU BAN ĐẦU:

Bảng 1: Số liệu thuỷ triều, nước dâng tại vị trí XD CT:

Các thông số Đề 16

Hệ số điều chỉnh chiều cao sóng 1

Biên độ chiều lớn nhất d1 (m) 1.1

Nước dâng tương ứng với bão thiết kế d2 (m) 0.9

Bảng 2: Độ sâu nước tại vị trí xây dựng công trình:

Sét màuxám vàng,trạng tháicứng

Sét pha,trạng tháidẻo cứng

2 Độ sâu đáy lớp đất ( tính từ đáy biển trở xuống) H1 H2 H3

4 Khối lượng thể tích tự nhiên γw, g/cm3 1.93 1.91 1.91

5 Khối lượng thể tích khô γc, g/cm3 1.51 1.48 1.44

6 Khối lượng riêng γs, g/cm3 2.71 2.70 2.71

Vận tốc gió trung bình đo trong 3 giây

100 năm 44.7 57.4 4.9 24.2 5.6 41.6 39.8 39

Bảng 7: Số liệu sóng thiết kế:

B

8: Vận tốc dòng chảy mặt lớn nhất tương ứng với

hướng sóng tính toán (chu kì lặp 100 năm):

Các thông số Hướng sóng

N NE E SE S SW W NWVận tốc(cm/s) 93 137 100 173 224 181 178 121Hướng (độ) 240 242 277 41 68 79 78 134

Bảng 9: Vận tốc dòng chảy đáy lớn nhất tương ứng với

hướng sóng tính toán (chu kì lặp 100 năm):

Các thông số Hướng sóng

N NE E SE S SW W NWVận tốc(cm/s) 68 119 90 109 182 137 119 97Hướng (độ) 2 300 60 295 329 53 329 197

III - ĐẶC ĐIỂM CỦA CÔNG TRÌNH:

1 Mô tả kiến trúc công trình:

Kiến trúc công trình gồm 3 phần chính: Thượng tầng, Trụ đỡ, Đế móng

+ Thượng tầng: bao gồm các Block Modul.Đối với các công trình dùng làm khí tượng hải văn, phục vụ mục đích nghiên cứu biển hoặc làm các dịch vụ ngoài khơi, phần thượng

Chu kì lặp Hướng N NE E SE S SW W NW

100 năm H, m 10.8 16.4 9.9 6.2 8.6 13.1 9.3 7.4

T, s 10.3 14.3 11.6 10.8 12.4 12.5 12 12.3

tầng được cấu tạo giống như một công trình dân dụng, thoả mãn các nhu cầu của một trạm khí tượng hải văn ngoài biển.Cụ thể :

- Khối nhà ở:

Gồm nhà ở cho 12 người, chứa các thiết bị đo khí tượng hải văn

Dạng nhà hình bát giác, trên mái là vườn khí tượng có đặt các dụng cụ đo, hoạt tải người sửdụng = 2 (T/m2)

Trọng lượng khối nhà ở gồm: khối nhà ở = 70 (T), dự trữ lương thực, thực phẩm = 8 (T),nước ngọt 50 (T)

- Hệ thống dầm sàn chịu lực:

Kích thước mặt bằng của hệ thống dầm sàn chịu lực là: 12 x 12 (m)

Trọng lượng hệ thống dầm thép chịu lực ở sàn chịu lực = 38 (T)

- Hệ thống sàn công tác:

Hệ thống kết cấu thép dùng đỡ nhà vệ sinh, kho chứa, giá và xuồng cứu sinh, bể chứa dầu,thang di động Kích thước mặt bằng của hệ thống dầm sàn công tác là: 12 x 12 (m)

Trọng lượng hệ thống sàn công tác bao gồm: nhà vệ sinh = 0.75 (T), kho chứa = 1.45 (T),

bể chứa dầu = 2.5 (T), trọng lượng bản thân của sàn công tác = 11 (T)

Cần chú ý rằng: Phần thượng tầng được kể từ mép dưới của hệ thống kết cấu đỡ sàn côngtác trở lên Phần này coi như đã được chế tạo định hình sẵn; sẽ được ghép nối với KCĐ đểtạo thành công trình hoàn chỉnh Đối với phần thượng tầng này, không cho phép chịu tácđộng của sóng nước ( kể cả bọt sóng vỡ ) Bên dưới của phần thượng tầng là hệ thốngKCĐ

+ Trụ đỡ: có nhiệm vụ đỡ khối thượng tầng thông qua kết cấu sàn chịu lực và truyền toàn bộ tải trọng ( tĩnh tải, hoạt tải ) từ thượng tầng và kết cấu đỡ thượng tầng xuống chân

đế Từ quy mô của khối thượng tầng mà kết cấu trụ đỡ có thể được cấu tạo từ một hoặc nhiều trụ.Trụ đỡ bê tông cốt thép thường có tiết diện dạng hình vành khuyên

+ Đế móng: có nhiệm vụ nhận tải trọng từ trụ đỡ truyền xuống nền đất Phân bố tải trọng lên nền đất giúp công trình đứng ổn định.Còn là nơi chứa các vật liệu ( nước dằn, chứa dầu ) Mặt khác đế móng còn đóng một vai trò quan trọng trong thi công đó là trong giai đoạn đầu phảI tự nổi để tạo mặt bằng thi công cho các giai đoạn tiếp theo

– Đế móng là khối BTCT hoặc BTCTUST rỗng với mặt bằng tròn hay vuông

– Hệ thống chân khay chạy vòng quanh đế móng

– Phía trong đế móng có các hệ thóng dầm sườn BTCT cùng với bản đáy, bản nắp, bản thành chia thành các khoang rỗng

2 Trọng lượng phần thượng tầng và các trang thiết bị

+ Khối nhà ở = 70 (T), hoạt tải = 2 (T), dự trữ lương thực thực phẩm = 8 (T), nước ngọt

2 3

3 Giải pháp kết cấu chung:

a.Giải pháp kết cấu dầm đỡ thượng tầng

– Kết cấu đỡ thượng tầng có dạng sàn phẳng được cấu tạo bẳng thép hình hoặc thép ốnghoặc bằng bê tông cốt thép

– Vì công trình làm bằng BTCT nên chọn luôn cấu tạo của kết cấu đỡ thượng tầng làm bằng BTCT đổ toàn khối với trụ đỡ Có dạng sau:

2

1 3

3

1 2

D d

– Trong trụ đỡ có các bản vách cách nhau một khoảng h (m), tạo độ cứng và độ ổn định cho vách

– Kích thước mặt cắt ngang và chiều dày của trụ đỡ có thể thay đổi

– Việc thay đổi tiết diện cũng kéo theo sự phức tạp trong thi công Mà độ sâu nước tại

vị trí đặt công trình là 60(m), không quá lớn Do vậy ta chọn tiết diện trụ không đổi trên suốt chiều dài

c.Giải pháp kết cấu đế móng

Việc chọn kích thước đế móng phụ thuộc phần lớn vào phương pháp thi công và các điều kiện về ổn định về khả năng tự nổi, điều kiện bền và biến dạng của móng Đế móng cóthể là đế hình tròn, có thể là đế hình vuông, chữ nhật, đế hình vòm hoặc đế có thể là tập hợpcủa các xilo

4 Phương án thi công:

a, Đặc điểm thi công công trình biển trọng lực

- Khác với thi công các công trình xây dựng trên bờ, việc thi công công trình biển trọnglực bê tông cốt thép không thể thực hiện trực tiếp tại vị trí xây dựng ngoài khơI vì:

- Vấn đề thi công bê tông cốt thép liên quan đến điều kiện đảm bảo để bê tông ninh kết

và đạt chất lượng cao, chính vì thế khó thực hiện được trong môI trường nước biển cótác động của sóng gió dòng chảy và ăn mòn của môI trường

- Kết cấu công trình biển trọng lực bê tông thường có kích thước lớn vì vậy đòi hỏi mộtkhối lượng vật liệu thi công rất lớn Nếu thi công trên biển sẽ phảI kéo dài thời gian sẽgặp nhiều rủi ro về thời tiết và đòi hỏi chi phí cao về nhân công, thiết bị…

- Với những lí do trên thì các công trình biển trọng lực bê tông được thi công chế tạo hoàn chỉnh ở ven bờ sau đó lai dắt ra vị trí xây dựng và đánh chìm xuống vị trí đã được san nền sẵn Phương án này khắc phục được tất cả các nhược điểm khi thi công

bê tông cốt thép trực tiếp ở ngoài khơi

b, Công tác chuẩn bị

+ Để thực hiện được phương án thi công công trình ven bờ rồi lai dắt ra vị trí xây dựng, đòi hỏi phảI chuẩn bị cơ sở hạ tầng phù hợp với yêu cầu kĩ thuật để thi công công trình biển trọng lực bê tông giống như cơ sở hạ tầng để thi công các phương tiện nổi ởven biển

+ Yêu cầu về cơ sở hạ tầng phục vụ thi công ven bờ

- Vịnh ven bờ đủ độ sâu để thi công công trình

- luồng đủ độ sâu để lai dắt công trình ra vị trí xây dựng

- có ụ khô đủ lớn ( hoặc có đốc nổi đủ lớn )

- thuận tiện về giao thông

- có sẵn nguồn cung cấp nước ngọt, điện

- có điều kiện cung cấp nhân lực

+ Các công tác chuẩn bị

- chuẩn bị ụ khô ( chuẩn bị đốc nổi )

- chuẩn bị phao nổi với sà lan

c, Quy trình thi công công trình biển trọng lực

Phương án thi công cho CTBCĐ kiểu DK trọng lực có thể chia làm các giai đoạn sau:

Gđ 1: Chế tạo trên bờ (trong ụ khô hoặc trong đốc nổi)

Toàn bộ phần đế móng BTCT và một phần của trụ BTCT được chế tạo trong ụ khôhay đốc nổi Kích thước khối đế thi công ở giai đoạn 1 được lựa chọn để tự nổi ổn định

Gđ 2: Hạ thuỷ phần khối đế đã thi công

Gđ 3: Chế tạo và lắp dựng hoàn chỉnh (ở gần bờ)

Thi công ven biển, dựa vào khả năng tự nổi ổn định của phần khối đế đã được hạ thuỷ

ở ven biển để thi công các phần còn lại của khối chân đế Khi thi công ở ven biển, các khối

đế có thể được sự trợ giúp của phao phụ Trong trường hợp công trình ( bao gồm khối chân

đế và thượng tầng ) có thể tự nổi ổn định trong giai đoạn vận chuyển ra vị trí xây dựng, saukhi thi công xong khối chân đế và kết cấu khối đỡ thượng tầng, khối chân đế phảI được hạthấp bằng cách dằn nước và dùng cẩu để lắp thượng tầng Sau khi lắp đặt thượng tầng, tiến

hành bơm trám nước dằn ra khỏi khối chân đế để công trình nổi nên ở mớn nước vận chuyển

và được neo ở cảng chờ xuất phát ra biển

Gđ 4: Lai dắt ra vị trí xây dựng ngoài khơi.

Dùng các tàu kéo, lai dắt hệ KCĐ – phao phụ – thượng tầng ra ngoài khơi (nơi vị trí

sẽ cố định công trình)

Gđ 5 : San dọn nền và bơm nước dằn đánh chìm công trình.

Tại vị trí cố định công trình, tiến hành công tác san dọn nền đất, sau đó bơm nước vàoKCĐ để công trình từ từ hạ xuống Chú ý phao phụ lúc này vẫn nổi trên mặt nước và có tácdụng định vị, dẫn hướng cho công trình từ từ hạ xuống đáy biển

Gđ 6 : Hoàn chỉnh các hạng mục khác

Sau khi công trình hạ xuống, tiến hành các công tác khác như: bơm phụt vữa BT vàokhe giữa đáy móng và nền đất, dằn vật liệu vào KCĐ ( nếu cần ), tháo dỡ phao phụ ra khỏicông trình, hoàn tất các việc phụ khác

5 Điều kiện sử dụng vật liệu

+ Thép cường độ cao có các đặc trưng cơ lí

- Khối lượng riêng γt = 7850 (kG/m3)

- Cường độ tiêu chuẩn Rc = 17000 kG/cm2

- Với cấu kiện BTCT thường: BT mác ≥ 400

- Với cấu kiện BTCTƯST: BT mác ≥ 500

PHẦN II: XÂY DỰNG VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

I - XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN

1.Các phương án đưa ra:

Khối đế có thể có các dạng như sau :

- Đế gồm nhiều dạng xilô trụ tròn

- Đế có dạng hình nón cụt-Đế có dạng hình tròn

Cơ sở lựa chọn khối đế:

- Các dạng khối đế đã áp dụng trên thế giới đối với dàn khoan công trình biểnbêtông trọng lực bêtông cốt thép

- Các điều kiện liên quan đến đầu vào xây dựng công trình

Trong các loại hình dạng của đế móng, thì kết cấu đế móng dạng hình tròn là tối ưu Bởi vì:

- Kết cấu hình tròn chịu lực mọi phía là như nhau

- Đế móng chịu áp lực thuỷ tĩnh từ mọi phía

- Để tránh cho các bản thành bị chịu uốn ta sử dụng kết cấu hình tròn

Ta đưa ra các phương án sau:

Phương án 1: Đế tròn có bản nắp phẳngPhương án 2: Đế tròn có bản nắp dạng nón cụt Phương án 3: Đế gồm nhiều dạng xilô trụ tròn

2 Sơ bộ xác định các kích thước khối chân đế:

+ Chiều cao KCĐ được xác định theo công thức:

H cd =d0 +d1 +d2 +µ.η.Hmax +∆0Trong đó:

Hcđ: Chiều cao của KCĐ do: độ sâu nước tại vị trí XDd1: Biên độ triều

d2: Biên độ nước dâng do gió

µ: Hệ số điều chỉnh chiều cao sóng

η: hệ số (η = 0.5 ÷ 0.7 ) phụ thuộc lí thuyết sóng tính toán0

∆ : Chiều cao lưu không ≥ 1.5m.

Với các dữ liệu đã cho thay vào công thức ta có:

– Tiết diện của trụ là hình vành khuyên

– Kích thước của trụ phải đảm bảo thoả mãn 2 điều kiện:

0 ≤17.7

D

l

(Theo sổ tay KCCT) Trong đó:

lo: chiều dài tính toán của trụ

r : bán kính quán tính trụD: đường kính trụ

– Sơ bộ chọn đường kính trụ là : 9m

– Chiều dầy thành trụ là : 0.8m (không đổi trên suốt chiều dài)

– Trong lòng trụ có các bản vách cứng, sơ bộ chọn chiều dầy bản vách là 0.4m, khoảng cách giữa các bản vách thể hiện trên hình vẽ

– Kết cấu đỡ thượng tầng gồm 4 dầm giao nhau Sơ bộ chọn chiều dài của dầm là 12m

Vì đường kính của trụ là 9m nên phần thừa của dầm được coi là conxon có chiều dài là 1.5m Sơ bộ chọn kích thước dầm là 1x0.5m

– , Đế móng:

Kích thước của đế móng phải thoả mãn các điều kiện:

- Điều kiện về thi công ( đó là khả năng tự nổi của công trình trong giai đoạn đầu khi thi công xong đốt trụ đầu tiên )

Bảng kích thước khối chân đế

Kích thước dài(ĐK) rộng cao(dầy)Thượng tầng 12 12

Kết cấu đỡ thượng tầng 12 0.5 0.75

Trụ đỡ 9 0.6 54Bản nắp 1 xilô 9 1.5Bản thành 1 xilô 9 9 8Bản đáy của 1 xilô 9 9 1

Sơ bộ lựa chọn các kích thước của các bộ phận trong đế móng dựa vào tài liệu bê tông cốt thép

nhipdam

h

31

=

1( ÷

b

dam b

h

l h

3.Kiểm tra các điều kiện ban đầu:

Ta có bảng giá trị

Lo(m) J(m4) A(m2) r D(m) Lo/r Lo/D

75 77.67

8.1996

3.077

7 9 24.3685089 8.333333

078.3

75 = <

=

7.1733.89

đã chế tạo này tự nổi được và kéo ra khu vực gần bờ để thi công tiếp bước hai Trong giaiđoạn này khối chân đế phải đảm bảo điều kiện tự nổi và điều kiện ổn định ban đầu

Điều kiện tự nổi :

T < HđeĐiều kiện ổn định ban đầu :

Ho = ro + zc – zG > 0

Trong đó :

T : Mớn nước ;

Hđế : chiều cao đế móng

zG , zC : Tọa độ trọng tâm và phù tâm của khối đã thi công

Pi: khối lượng các phần trong khối đế tính toán nổi

zi: tạo độ trọng tâm của thành phần Pi ro: Bán kính quán tính

1 Các trường hợp tải trọng và tổ hợp tải trọng

a, Tải trọng thường xuyên bao gồm:

- Tải trọng bản thân của công trình

- Trọng lượng trang thiết bị cố định

- Trọng lượng dằn

- áp lực thuỷ tĩnh của nước

b, Tải trọng tạm thời bao gồm:

- Trang thiết bị có thể thay đổi hay di chuyển

- Vật tư khác (nước ngọt, dầu )

c, Tải trọng gián tiếp bao gồm:

- Tải trọng do biến dạng của kết cấu

- Tải trọng do lún lệch.

d, Tải trọng do sự cố bao gồm:

- Tải trọng va chạm do tàu cập vào công trình

- Một số chi tiết bị hỏng do nguyên nhân khác nhau

e, Tải trọng động đất

f, Tải trọng môi trường bao gồm

- Các tải trọng sóng, gió, dòng chảy tác dụng lên công trình

g,Tổ hợp tải trọng :

Trong đồ án này chủ yếu nghiên cứu quy trình tính toán công trình trong trạng thái sửdụng chịu tác động của trạng thái cực hạn Do đó ta chỉ xét một tổ hợp tải trọng, hệ số tổ hợpđược lấy như sau :

- Tải trọng thường xuyên lấy hệ số là 1

- Tải trọng môi trường lấy hệ số là 0,9

Ta có bảng tổ hợp tải trọng như sau:

Loại tải trọng

Tổ hợp tải trọngTH

cơbản

TH1 TH2 TH3

THđặcbiệt

THđộngđấtTải trọng thường xuyên X X X X X XTải trọng gió điều kiện khai thác X X X X XTải trọng sóng điều kiện khai thác X X X X

Tải trọng dòng chảy điều kiện khai thác X X X X

Tải trọng va cập tầu X

Tải trọng gió điều kiện cực hạn X

Tải trọng sóng điều kiện cực hạn X

Tải trọng dòng chảy điều kiện cực hạn X

2 Xác định tải trọng thường xuyên tác dụng lên kết cấu:

b Xác định trọng lượng của khối chân đế:

Bảng tính toàn bộ trọng lượng khối chân đế

Khối lương tru 29688.05Khối lươợng đế 39782.12Khối lượng nắp xilô 6815.753Khối lương vách ngăn 7952.156

Tổng khối lương bản than:84238.08KN

kính bámKhối lượng hà bám trên 1 m dài trụ ở độ sâu 0 đến -4m 9 0.08 16 36.51285 146.0514Khối lượng hà bám trên 1 m dài trụ ở độ sâu -4 đến -8m 9 0.087 16 39.73833 158.9533Khối lượng hà bám trên 1 m dài trụ ở độ sâu -8 đến -10m 9 0.1 16 45.74159 91.48318Khối lượng hà bám trên 1 m dài trụ ở độ sâu -10 đến đáy

Khối lượng hà bám trên trụ 1800.684

4 Tính tải trọng gió (theo API)

Hướng của tải trọng gió tương ứng với hướng sóng, hướng NE Tính tải trọng do gió tác dụng lên phần công trình nằm phía trên mực nước tĩnh Bảnchất của tải trọng gió là động, nhưng qua thực nghiệm cho thấy rằng tải trọng gió chỉ chiếmkhoảng ≈ 10% tổng tải trọng môi trường tác dụng lên công trình nên ở đây ta coi trong tínhtoán tải trọng gió là tĩnh

Công thức xác định tải trọng gió theo API:

F = 0 0473 Vz2 Cs A Trong đó:

F: là lực gió tác dụng lên kết cấu (N)

Vz: Vận tốc gió trung bình đo trong 1 giờ tại độ cao z so với mực nước

10

1 10

n z

Z V

Cs : Hệ số khí động (xác định theo qui phạm)

Kết cấu dầm, nhà tường đặc 1,5

n : Lấy từ 7 đến 13, ở đây lấy n = 8.

α, β: Hệ số luỹ thừa, hệ số giật của gió ở độ cao 10 m

Trong đồ án cho vận tốc gió trung bình đo ở 3s nên

Tải trọng gió tác dụng lên kết cấu thượng tầng:

Loại b(m) h(m) A(m2) Cs Vz(km/h) F(N) F(KN) Dầm đỡ thượng tầng 0.8 0.6 0.48 1.5 291.5434 2894.678 2.894678 Khung sàn chịu lực 16 3 48 1.5 285.235 277076.253 277.0763

Khối nhà ở 16 3 48 1.5 290.6497 287695.663 287.6957 Sân khí tượng 16 1.5 24 1 294.1865 98246.677 98.24668

665.9133

Tổng tải trọng gió tác dụng lên khối chân đế là: ∑Q = 1867.62(KN)

Quy các tải trọng ngang tác dụng lên thượng tầng về 36 nút ở đỉnh khối chân đế Gồm 1 lực tập chung theo phương ngang và 1 mômen

+ Lực tập chung tại mỗi nút là Fi = 18.5 (KN)+ Lực mômen tại mối nút là Mi = 6.6 (KN.m)

5.Tải trọng sóng và dòng chảy

Tác động của dòng chảy lên công trình được biểu diễn bởi yếu tố vận tốc Vận tốc dòng

chảy, trong thực tế tính toán được xem là một đại lượng không thay đổi theo thời gian

Vì vậy khi chỉ có tác động của dòng chảy (không kể sóng) thì tải trọng do dòng chảy gây

ra được coi là tải trọng tĩnh

Khi tính đồng thời tác động của sóng và dòng chảy, thì ảnh hưởng của dòng chảy được

bổ sung vào thành phần vận tốc của tải trọng sóng

Vì thành phần tải trọng do vận tốc gây ra có chứa bình phương vận tốc, nên sự tham gia của dòng chảy làm tăng đáng kể cho tải trọng sóng

Tác động của sóng lên công trình biển mang bản chất động và là trội tuyệt đối trong tổngtải trọng ngang tác dụng lên kết cấu khối chân đế

Tùy theo tính chất của lực sóng tác dụng mà các phần tử của kết cấu ngoài biển được chiathành vật thể mảnh và vật thể có kích thước lớn Đối với vật thể mảnh thì lực quán tính vàlực cản của sóng là đáng kể, còn đối với vật thể lớn thì ảnh hưởng của nhiễu xạ lại đóng vaitrò quyết định

Đối với các kết cấu có kích thước nhỏ ( D/L < 0.2 ) thì dùng công thức Morison để tínhtoán tải trọng sóng

+ Số liệu của sóng:

Giá trị

Hướng sóng có Hmax

NEH(m) 16.4T(s) 14.3

+ Số liệu của dòng chảy:

Dòng chảy mặt theo hướng sóng

Giá trị Hướng sóng NEVận tốc(cm/s) 137Hớng (độ) 242

Dòng chảy đáy theo hướng sóng

Giá trị Hướng sóng NEVận tốc(cm/s) 119Hướng (độ) 300

- Khi tính tải trọng sóng tác dụng lên công trình biển trọng lực thì coi công trình như một thanh congxon ngàm tại mặt đáy biển Chia thanh thành tổ hợp các phần tử nhỏ có chiều dài là 1 (m)

Để tính toán tải trọng sóng + dòng chảy ta thực hiện theo các bước sau đây:

Bước 1: Từ các thông số sóng ta tính vận tốc, gia tốc sóng

Lặp theo Airy ta xâc định được chiều dài sóng L Xét tỉ số

d ⇒ công trình nằm trong vùng nước trung gian )

Tra biểu đồ xác định miền áp dụng sóngCông trình nằm trong miền áp dụng sóng StockTính vận tốc sóng và gia tốc sóng theo lí thuyết sóng Stock bậc 5Gọi OXZ: là hệ trục toạ độ tại mặt nước

oxz: là hệ trục toạ độ tại vị trí ngàm của thanh congxonTrục OX trùng với phương truyền sóng

Ta có công thức thay đổi hệ trục toạ độ

x X

Ta tính được toạ độ của các nút theo hệ truc toạ độ OXZTheo lí thuyết sóng Stokes bậc 5, khi sóng có chiều cao H, số sóng k và tần số vòng ω lantruyền theo chiều dương của trục x, thì độ dâng của bề mặt chất lỏng so với mặt nước tĩnh cóthể biểu diễn dưới dạng :

F cos n(kx t)

k

1 5 1 n

=

= (3.3)Trong đó : F1 = a ; F2 = a2.F22 + a4.F24 ; F3 = a3.F33 + a5.F35 ;

F4 = a4.F44 ; F5 = a5.F55 Các thông số hình dáng của sóng F22, F24 ( phụ thuộc vào kd = 2πd/L ; được xác địnhtheo bảng tra ), và thông số chiều cao sóng H quan hệ với nhau bởi biểu thức :

[ ( 35 55) ]

5 33

3 F a F F a

a 2 H

k = + + + (3.4)

Thành phần vận tốc theo phương ngang Vx và phương đứng Vz của phần tử chất lỏng cótọa độ ( x, z ) gây nên bởi sự la truyền sóng bề mặt trong vùng có độ sâu d, có thể nhận được

từ biểu thức :

(kx t)

n cos shnkd

chnkz G

k

1 n n

=

(kx t)

n cos shnkd

shnkz G

k

1 n n

= (3.5)Trong đó : G1 = aG11 + a3G13 + a5G15 ; G2 =2( a2G22+ a4G24 ) ;

G3=3( a3G33+ a5G35 ) ; G4 =4 a4G44 ; G4 =5 a5G55

ở đây G11 , G13 là các thông số sóng phụ thuộc vào k.d ( tra bảng )

Quan hệ giữa tần số vòng và tần số sóng có dạng :

gk(1 a C a4C2).thkd

1 2

ω (3.6)Vận tốc truyền sóng c:

( 2) 1/2

4 1

2 C a C thkd a

1 k

g c

R1 = 2U1 - U1U2 - U2U3 - V1V2 - V2V3 ;R2 = 4U2 – U12 + V12 – 2U1U3 -2V1V3 ;

R3 = 6U3 – 3U1U2 + 3V1V2 – 3U1U4 - 3V1V4;

R4 = 8U4 – 2U2 + 2V2 – 4U1U3 + 4V1V3;

R5 =10U4 – 5U1U4 – 5U2U3 + 5V1V4 + 5V2V3;

S0 = - 2U1V1 ;S1 = 2V1 - 3U1V2 - 3U2V1 – 5U1V3 – 5U3V2 ;S2 = 4V2 - 4U1V3 - 4U3V1 ;

S3 = 6V3 - U1V2 + U2V1 – 5U1V4 – 5U4V1 ;S4 = 8V4 - 2U1V3 + 2U3V1 + 4U2V2 ;S5 = 10V5 - 3U1V4 +3U4V1 - U2V3 + U3V2 ;Trong đó:

10T/20 11T/20 12T/20 13T/20 14T/20 15T/20 16T/20 17T/207.150 7.865 8.580 9.295 10.010 10.725 11.440 12.155

Bước 2: Từ các giá trị vận tốc của dòng chảy mặt lớn nhất và dòng chảy đáy

lớn nhất ta phân tích thành các thành phần vận tốc theo các phương OX, OY của sóng Vận tốc của dòng chảy chỉ tác dụng theo phương ngang và có giá trị không đổi ( gia tốc bằng

không )

18T/20 19T/2O 20T/2012.870 13.585 14.300

Tính vận tốc của dòng chảy tại các nút theo các phương OX, OY

Tải trọng sóng trên đơn vị chiều dài tác dụng lên cột trụ:

x I

2πρ

D: đường kính trụ (hoặc đế móng).

V( x,t), a(x,t): các thành phần vận tốc, gia tốc của sóng và dòng chảy

Cụ thể là

nx i nx

n d

q =0,5.ρ +ρ

ny i ny n d

q =0,5.ρ +ρ

nz i nz n d

9 704.872 7.772748 0.9997989.25291 450.4952 6.097805 0.8446359.43797 375.4205 5.492539 0.8024889.5 80.65822 2.504924 0.37253

10 80.60689 2.420383 0.414187

11 80.50598 2.255655 0.504866

+ Phương trình động lực học của bài toán dao động riêng tổng quát có dạng :

M.u’’ + C.u’ + K.u = 0 (3.1)

M, C, K: lần lượt là các ma trận khối lượng (có kể đến khối lượng nước kèm), matrận cản vận tốc và ma trận độ cứng của kết cấu

u’’, u’, u: lần lượt là các véc tơ gia tốc, vận tốc, chuyển vị của kết cấu

Giải phương trình (3.1) ta tìm được chu kì ,tần số ứng với mỗi một dạng dao động riêng của công trình Từ đó có thể đánh giá được khả năng làm tăng ứng suất do đặc điểm động của tácđộng bên ngoài

Có nhiều phương pháp để giải bài toán động lực học này :

- Phương pháp phân tích “ mode”

- Phương pháp giải theo miền thời gian,

- Phương pháp giải theo miền tần số

- Phương pháp phần tử hữu hạn

Do độ nhớt của nước biển là rất bé do đó có thể bỏ qua thành phần C.u’ , phương trình dao động riêng có dạng :

M.u’’ + K.u = 0 (3.2)

+ Sơ đồ tính dao động riêng:

Khối chân đế được xem như thanh conson được ngàm tại đáy biển Phần trụ được coi nhưthanh có độ cứng EJ1 , với J1 là momen quan tính tiết diện trụ , chiều dài đoạn này bằngchiều dài trụ Phần đế móng cũng được coi như một thanh có độ cứng EJ2 với J2 là momenquán tính tiết diện đế móng , chiều dài đoạn này bằng chiều cao đế móng Toàn bộ khốilượng khối chân đế , thượng tầng và khối lượng nước kèm được quy về thành 3 khối lượngtập trung Ta sẽ giải bài toán dao động riêng 3 bậc tự do

b.Tính toán dao động riêng:

Xác định ma trận khối lượng:

Quy các tải trọng về nút:

– M1 bao gồm: tải trọng phần thượng tầng, tải trọng của dầm đỡ thượng tầng, tải trọng một nửa đoạn trụ từ M1  M2,

– M2 bao gồm; tải trọng của một nửa đoạn trụ từ M1  M2, tải trọng một nửa đoạn trụ

từ M2  M3, tải trọng nước kèm từ mực nước do đến nửa đoạn M2M3, Tải trọng hà bám từ mực nước do đến một nửa đoạn M2M3

– M3 bao gồm: tải trọng một nửa đoạn trụ M2M3, tải trọng một nửa đoạn từ M3 xuống ngàm, tải trọng hà bám của một nửa đoạn trụ M2M3, tải trọng hà bám của một nửa phần đế, tải trọng nước kèm của một nửa đoạn trụ M2M3, tải trọng nước kèm của một nửa phần đế công trình

2 1 1

2 1

)

2()(1

1

ω

ω ω

ε ω

U

U k

Trong đó:

uo : biên độ của chuyển vị động

ut : chuyển vị cực đại do tác dụng tĩnh của tải trọng

Tkc : tần số dao động riêng của kết cấu

ε/ω1 : hệ số giảm chấn lấy bằng 0,08.

ω: tần số vòng của sóng tác dụng

Sơ đồ tính

Khối lượng thượng tầng 1837 KNKhối lượng kết cấu đỡ thượng tầng 150 KNKhối lượng 1m dài trụ đỡ 395.84 KNkhối lượng 1m chiều cao đế 5824.734 KNKhối lượng hà bám 1m dài tru ở độ sâu 0-4m 146.051 KNKhối lượng hà bám 1m dài tru độ sâu 4-6m 158.953 KNKhối lượng hà bám 1m dài tru ở độ sâu 6-8m 1.80748 KNKhối lượng hà bám 1m dài tru ở độ sâu 8-10m 91.483 KNKhối lượng hà bám 1m dài tru ở độ sâu 10-67m 1404.196 KN

Khối lượng hà bám trên bản nắp 38.911 KNKhối lượng nước kèm trên 1m dài trụ đỡ 14.49 KNKhối lượng nước kèm trên 1m dài trụ de 521.662 KNKhối lượng nước kèm trên bản nắp 101 434 KN

δ δ δ

δ δ

δ

=

33 32 31

23 22 21

13 12 11

D

(m)Trong đó các phần tử δij là các chuyển vị đơn vị của sơ đồ tính:

M3 M2

M1 M1

Sau khi tính toán ta được ma trận độ mềm D như sau:

6.295E-04 2.402E-04 1.27E-05 2.402E-04 1.126E-04 7.382E-06 1.27E-05 7.382E-06 2.065E-06

Ta giải trị riêng véctơ riêng để tìm ra tần số dao động riêng

Giải phương trình: Det[K – λM] = 0 (Trong đó λ = ω2)

Sau khi tính toán ta xác định được các giá trị của ω như sau:

14.3

*2

=0.628(rad/s)Tính hệ số động:

2 1 1

2 1

)

2()(1

1

ω

ω ω

ε ω

U

U k

Trong đó:

uo : biên độ của chuyển vị động

ut : chuyển vị cực đại do tác dụng tĩnh của tải trọng

Tkc : tần số dao động riêng của kết cấu

ε/ω1 : hệ số giảm chấn lấy bằng 0,08.

ω: tần số vòng của sóng tác dụng

Thay số tính được: Kđ = 1,00078 (Hsố sẽ được nhân vào tải trọng động để tính toán)

Giải sơ đồ tổng thể được chu kỳ T= 0.444 (s)

PHẦN III :TÍNH TOÁN BỐ TRÍ THÉP CHO CÁC CẤU KIÊN

Nội lực tính toán cốt thép dầm đỡ thượng tầng :

M

2

=α

( Hệ số ξR tra bảng phụ thuộc vào Mác bê tông, nhóm cốt thép và điều kiện làm việc, tra bảng ta được ξR = 0,55 ).

+αm < αR  Ta tính toán như tiết diện đặt cốt thép đơn ( không cần tính toán cốt thép chịu nén )

Nội lực (N.mm) αm ζ Astt ( mm2) μ% Ø n As(mm2)

Tính cốt đai cho dầm đỡ thượng tầng:

 Kiểm tra khả năng chịu cắt của bê tông:

kn.nc.Qmax = 1,2.1.204,02 = 244.824(KN)

Với kn : Hệ số phụthuộc vào cấp công trình

nc : Hệ số phụ thuộc vào loại tổ hợp tảI trọng

mb3.Qb = k1.Rk.b.h0.mb3

Trong đó :

mb3 = 1,15 : Hệ số điều kiện làm việc của bê tông

Rk = 1.15N/mm2 : Cường độ chịu kéo của bê tông

⇒ =

2

2

204,021150.0, 4.0.712 =176.015KN/m2.Chọn cốt đai Φ 10 AII gồm có n = 2 nhánh

Vậy tại các vị trí gần gối chịu cắt lớn ta bố trí cốt đai là Φ 10a150 còn tại các

vị trí khác bố trí theo cấu tạo là Φ 10a250

Phần trụ giao của các dầm đỡ thượng tầng được cấu tạo thành một trụ đặc được bố trí lưới thép gia cường là Φ16a100 như bản vẽ.

3.Tính toán kiểm tra vết nứt.

Chiều rộng vết nứt aT vuông góc với trục dọc dầm được xác định theo công thức:

E C

k

a

bd a

× η σ σ 7 (4 100µ)

Trong đó :

k - Hệ số kể đến tính chất chịu lực của cấu kiện

Với dầm ngang chịu uốn lấy bằng 1.0

η - Hệ số kể đến loại cốt thép Với thép A-II có gờ thì η = 1.0

Cd - Hệ số phụ thuộc tính chất tác dụng của tải trọng Xem tải trọng tác

dụng lâu dài, lấy Cd = 1.3

σa - ứng suất trong cốt thép chịu kéo Đối với cấu kiện chịu uốn thì σa

được xác định như sau :

h

z h= −ξ =

710-0.04.710

2 = 695.8 (mm)

σbd - ứng suất kéo ban đầu trong cốt thép do trương nở bê tông.

µ - Hàm lượng cốt thép trong tiết diện

d - Đường kính thanh cốt thép ( mm )

Ea - Môđun đàn hồi của thép Ea = 2.1 x 105 N/mm2

Cấu kiện Nội lực (N.mm) h0 (mm) ξ z Fa σa aT [aT] Kết luận

DẦM TT

M11 M+ 4.08E+08 700.00 0.04 686.00 1520.531 391.196 0.0270 0.08 Thõa mãn

M- 5.10E+07 700.00 0.04 686.00 226.195 328.737 0.0226 0.08 Thõa mãnM22 M+ 5.10E+07 700.00 0.04 686.00 226.195 328.737 0.0226 0.08 Thõa mãn

8 Ø8a100

2Ø14 7

6 4Ø22

M? T C? T 1 - 1 T? L? 1 : 25

M? T C? T 2 - 2 T? L? 1 : 25

8 Ø8a100

2Ø14 7

CHI TI?T TRU Ð? C D? M Ð? THU ? NG T? NG

II THIẾT KẾ KẾT CẤU TRỤ ĐỠ

1.Tính toán bố trí cốt thép ƯST cho trụ

1.1 Tính toán cốt thép ƯST cho trụ

Bảng ứng suất trụ

S22(KG/cm2) F22(KG)

Z MAX MIN MAX MIN0-4 15.857 -24.48 359 -1E+054-8 10.644 -33.03 73370 -3E+058-14 38.047 -99.12 120841 -4E+0514-20 18.885 -61.04 89548 -3E+0520-26 14.254 -49.96 60854 -3E+0526-32 9.6402 -39.85 36414 -2E+0532-38 5.6098 -31.35 16224 -2E+0538-44 2.2111 -25.13 281 -1E+0544-50 -0.633 -20.08 -11421 -1E+0550-56 -2.555 -16.1 -18967 -7705456-62 -3.191 -10.44 -22052 -54818