Bài giảng Công trình ngoài khơi - Chương 1 Tải trọng tác dụng lên Công trình ngoài khơi

Bài giảng, Công trình ngoài khơi ,Chương 1 ,Tải trọng tác dụng lên, Công trình ngoài khơi

Công trình ngoài khơi

TS Nguyễn Danh Thảo ThS Đặng Xuân Trường

Liên hệ:

BM Cảng – Công Trình Biển Tel: 08.3863.8431

Email: ndthao@gmail.com

Email: dangxuantruong@hcmut.edu.vn

CHƯƠNG II

Tải trọng tác dụng lên công trình ngoài khơi

2.1 Sóng biển

 Sóng trên bề mặt đại dương được hình

thành do nhiều nguyên nhân như: gió ,

sóng gió là loại sóng xảy ra thường xuyên

và có tác động lớn đến công trình biển.

 Vì thế, trong thiết kế xây dựng công trình

ngoài khơi cần xét đến tác động của sóng gió , đặc biệt là do gió bão gây nên.

2.1 Sóng biển

tính thay đổi theo thời gian và không gian.

hướng chính thì luôn phù hợp với chiều

nằm ngoài phạm vi tác động trực tiếp của trường gió và khi gió chuyển hướng.

2.1 Sóng biển Sóng biển

Sóng có chiều cao và chu kì sóng không đổi

Sóng có chiều cao và chu kì sóng thay đổi theo thời gian

và không gian

2.1 Sóng biển

Đối với sóng đều có các loại sau:

 Lý thuyết sóng tuyến tính (linear wave theory),

 Lý thuyết sóng Cnoidal (sóng nước nông),

 Lý thuyết sóng đơn, lý thuyết sóng đơn giản

(sóng điều hòa hoặc sóng hình sin),

 Lý thuyết sóng Stokes (sóng nước sâu),

 Lý thuyết sóng hàm số dòng (Stream Function

2.1 Sóng biển

Hình 2.2: Phạm vi sử dụng các lý thuyết sóng

2.1 Sóng biển

Các lý thuyết sóng được sử dụng nhiều trong tínhtoán công trình biển phụ thuộc vào từng điều kiện

cụ thể như sau:

 Lý thuyết sóng Airy (lý thuyết sóng tuyến tính): sử

dụng đối với mọi vùng nước có độ sâu khác nhau.

 Lý thuyết sóng Stokes (lý thuyết sóng có biên độ

hữu hạn, từ bậc 1 đến bậc 5): thích hợp với những vùng nước có độ sâu nước hữu hạn.

 Lý thuyết sóng Cnoidal (bậc 1 đến bậc 3): thích hợp

với sóng lan truyền trong vùng nước nông.

2.2 Sóng đều

 Các lý thuyết sóng thường là gần đúng, nhưng

có thể miêu tả tốt các hiện tượng sóng trongnhững điều kiện nhất định, thỏa mãn được cácgiả thiết đặt ra

 Lý thuyết sóng biên độ nhỏ hay lý thuyết sóng

tuyến tính là lý thuyết sóng cơ bản nhất

 Lý thuyết này được đề xuất bởi Airy (năm 1845)

nên được gọi là sóng Airy, dễ sử dụng và cho độgần đúng hợp lý trong phạm vi rộng của các đại

2.2 Sóng đều

 Đối với các sóng dao động lớn (hữu hạn) thì cần

dùng các lý thuyết sóng có biên độ lớn với độchính xác bậc cao hơn so với lý thuyết sóngtuyến tính

 Mặc dù có những hạn chế nhất định trong ứng

dụng nhưng lý thuyết tuyến tính vẫn rất có ích,các giả thiết dùng cho việc triển khai lý thuyếtđơn giản này vẫn có tính hợp lý nhất định và đãđược dùng làm cơ sở cho nhiều nghiên cứu vềsóng

 Gia tốc phân tử nước ax, az,

 Dịch chuyển phân tử nước ξ, ζ,

2.2.1 Các đặc trưng của sóng

 Quá trình truyền sóng được biểu diễn bởi các

biến số x (theo không gian) và t (theo thời gian)hoặc kết hợp cả hai, định nghĩa bằng θ = kx-ωt

θ có giá trị trong khoảng từ 0 đến 2π

 Một cách đơn giản, sóng chu kỳ có hình dạng cố

định truyền theo phương ngang có thể được mô

tả thông qua chiều cao sóng H, chiều dài sóng L

và độ sâu nước d

2.2.1 Các đặc trưng của sóng

Hình 2.4: Định nghĩa các yếu tố sóng tiến đơn giản hình sin

2.2.1 Các đặc trưng của sóng

 Điểm cao nhất của sóng là đỉnh sóng và điểm

thấp nhất là bụng sóng Đối với sóng tuyến tínhhoặc sóng có biên độ nhỏ, chiều cao đỉnh sóngphía trên mực nước tĩnh (SWL) và bụng sóngphía dưới mực nước tĩnh bằng với biên độ sóng

a Do đó a = H/2 , với H là chiều cao sóng Thờigian để hai đỉnh hoặc bụng sóng tiến của hai consóng liên tiếp truyền qua một điểm cố định là chu

kỳ sóng T Chiều dài sóng L là khoảng cách theophương ngang giữa hai điểm giống hệt nhau

2.2.2 Sóng Airy

 Được đề xuất bởi Airy (năm 1845),

 Lý thuyết sóng Airy coi hình dạng mặt sóng có

dạng hình sin, chiều cao sóng H là nhỏ so vớichiều dài sóng L và độ sâu nước d Kết quả tính

đã bỏ qua các đại lượng vô cùng bé bậc 2 trởlên nên sóng Airy còn được gọi là sóng tuyến

tính, hay sóng bậc 1.

2.2.2 Sóng Airy

Hình 2.5: Các thông số sóng tuyến tính

2.2.2 Sóng Airy

 Độ lệch mặt sóng η chỉ khoảng cách từ bề mặt

sóng đến mực nước tĩnh và là hàm số theo x và

t Tại vị trí đỉnh sóng, độ lệch mặt sóng bằng vớibiên độ sóng a và bằng một nửa chiều cao sóng

(H/2)

 Phương trình cơ bản của động lực học sóng là

phương trình Laplace, dựa trên nguyên tắc bảotoàn khối lượng:

(2.1)

2.2.2 Sóng Airy

 Đây được gọi là hàm thế vận tốc Thế vận tốc là

hàm có gradient (ví dụ như tỷ lệ thay đổi của ϕ

liên quan đến tọa độ theo phương ngang x vàtheo phương thẳng đứng z) tại bất cứ điểm nàotrong chất lỏng cũng là vector vận tốc

(2.2)(2.3)

Vận tốc, chiều dài và chu kì sóng

 Vận tốc sóng C (hay vận tốc pha) là vận tốc của

hình dạng sóng truyền đi Vì quãng đường màsóng đi được trong một chu kỳ bằng một chiềudài sóng, vận tốc sóng có thể được tính như sau:

 Vận tốc sóng theo chiều dài sóng và chiều sâu

nước được tính như sau:

(2.4)

(2.5)

Vận tốc, chiều dài và chu kì sóng

 Phương trình (2.5) có thể được viết lại như sau:

 Các giá trị 2π/L và 2π/T lần lượt được gọi là số

sóng k và tần số góc sóng ω Kết hợp phươngtrình (2.4) và (2.6) ta có:

(2.7)(2.6)

Vận tốc, chiều dài và chu kì sóng

 Trong phương trình (2.7), chiều dài sóng L xuất

hiện ở cả hai vế phương trình Do đó, có thể sửdụng giá trị gần đúng để tính toán:

 Chiều dài sóng ứng với vùng nước sâu:

(2.9)(2.8)

Vận tốc, chiều dài và chu kì sóng

Bảng 2.1 Phân loại sóng theo độ sâu tương đối

Nước sâu 1/2 đến   đến   1

Vùng trung gian 1/20 đến 1/2 /10 đến  tanh(kd)

Nước nông 0 đến 1/20 0 đến /10  kd

Vận tốc, chiều dài và chu kì sóng

 Trong vùng nước sâu, tanh(kd) tiến đến 1, do đó,

phương trình (2.4) và (2.5) trở thành:

 Và phương trình (2.6) trở thành:

(2.11)(2.10)

Đường mặt sóng (profile sóng)

 Đường mặt sóng có thể được biểu diễn dưới

dạng:

(2.12)

Vận tốc và gia tốc của phần tử nước

 Thành phần vận tốc của một hạt nước theo

phương ngang và phương thẳng đứng được xácđịnh như sau :

(2.15)

(2.16)

Vận tốc và gia tốc của phần tử nước

 Gia tốc phần thử nước được tính bằng cách lấy

đạo hàm phương trình (2.15) và (2.16) theo thờigian:

(2.17)

(2.18)

Sự dịch chuyển của phần tử nước

 Các phần tử nước dịch chuyển theo quỹ đạo

hình elip ở vùng nước nông hoặc vùng có độ sâunước trung gian, và theo quỹ đạo hình tròn ở khuvực nước sâu:

 Dịch chuyển của phần tử nước theo phương

ngang  và phương đứng  so với vị trí cân bằngcủa nó lần lượt được tính theo công thức

Sự dịch chuyển của phần tử nước

Hình 2.7: Dịch chuyển phần tử nước từ vị trí cân bằng tại vùng nước nông và nước sâu

Sự dịch chuyển của phần tử nước

(2.19)

(2.20)

Đơn giản các phương trình trên bằng các công thức

(2.21) đến (2.31) trong tập bài giảng công trình ngoài

(Biến đổi các phương trình trên bằng các công thức (2.33) đến (2.37)

trong tập bài giảng công trình ngoài khơi của TS Nguyễn Danh

Vận tốc nhóm sóng

 Vận tốc nhóm sóng cũng chính là vận tốc truyền

năng lượng sóng, ký hiệu là C g Khái niệm nhómsóng có thể được xem như sự tổng hợp của haisóng hình sin cùng di chuyển theo một phươngvới chiều dài và chu kỳ sóng hơi khác biệt

 Phương trình biểu diễn đường mặt sóng:

(2.38)

 Do chiều dài sóng là khác nhau nên trên vài điểm

theo phương x tại cùng thời gian t, hai thành phần này sẽ cùng pha và chiều cao sóng quan sát được là

2H.

 Tại vài điểm khác, hai sóng lệch pha hoàn toàn nên

triệt tiêu lẫn nhau, dẫn đến chiều cao sóng bằng 0:

Vận tốc nhóm sóng

 Đường mặt sóng tổng hợp được thể hiện trong

Hình 2.8, với các con sóng di chuyển theo nhóm

có đường bao mặt sóng như sau:

(2.39)

2.2.3 Lý thuyết sóng Stokes

 Lý thuyết sóng tuyến tính hay lý thuyết sóng dao

động bé (biên độ dao động bé) chỉ cho lời giải gần đúng bậc một, không thích hợp với các sóng có biên

độ dao động lớn hơn nên cần dùng lý thuyết sóng phi tuyến với lời giải bậc cao hơn cho sóng trọng lực.

 Lý thuyết sóng Stokes (1847) cho sóng có dao động

lớn gần đúng bậc 5 được dùng rộng rãi trong thực tế ứng với cả sóng nước sâu và nước nông Do đó, lý thuyết sóng Stokes bậc cao sẽ giúp hiệu chỉnh lý

2.2.3 Lý thuyết sóng Stokes

 Ý tưởng cơ bản của phương pháp là khai triển

phương trình sóng thành phần chuỗi và xác định các hệ số trong các số hạng của chuỗi từ các điều kiện phải thỏa mãn phương trình tương ứng của tính chất thủy động của sóng Stokes nghiên cứu chỉ giữ lại % số hạng đầu của chuỗi.

 Như vậy, độ lệch mặt nước từ mặt nước tĩnh có

dạng:

(2.48)

2.2.3 Lý thuyết sóng Stokes

 Trong đó F 22, F 55 …, là tham số hình dạng của

sóng, phụ thuộc vào (kd) và vào tham số chiềucao sóng

2.2.3 Lý thuyết sóng Stokes

2.2.3 Lý thuyết sóng Stokes

d/L F 22 F 24 F 33 F 35 F 44 F 55

0,1 3,892 -28,61 13,09 -138,60 44,99 163,80 0,2 0,927 1,398 0,996 3,679 1,259 1,734 0,3 0,599 0,893 0,495 1,685 0,484 0,525 0,4 0,527 0,759 0,410 1,330 0,371 0,373 0,5 0,507 0,722 0,384 1,230 0,344 0,339 0,6 0,502 0,712 0,377 1,205 0,337 0,329

d/L G 11 G 13 G 15 G 22 G 24 G 33 G 35 G 44 G 55

0,1 1,00 -7,394 -12,73 2,996 -48,14 5,942 -121,7 7,671 0,892 0,2 1,00 -1,263 -2,266 0,326 0,680 -0,017 1,093 -0,044 0,006 0,3 1,00 -0,765 -1,077 0,076 0,601 -0,020 0,231 0,002 0,001 0,4 1,00 -0,662 -0,850 0,020 0,528 -0,006 0,117 0,001 0,00 0,5 1,00 -0,635 -0,790 0,006 0,503 -0,002 0,092 0,00 0,00 0,6 1,00 -0,628 -0,777 0,002 0,502 -0,001 0,086 0,00 0,00

2.2.3 Lý thuyết sóng Stokes

2.2.3 Lý thuyết sóng Stokes

0,1 8,791 383,7 -0,310 -0,060 0,2 1,549 5,044 -0,082 0,077 0,3 1,107 1,833 -0,023 0,010 0,4 1,027 1,393 -0,007 0,002 0,5 1,008 1,283 -0,001 0,000 0,6 1,002 1,240 -0,001 0,000

Phạm vi áp dụng lý thuyết sóng

 Lý thuyết sóng Airy: dùng để tính toán sơ bộ, chủ

yếu chỉ xét trường hợp chiều cao sóng như sau:

H<L và H<d

 Lý thuyết sóng Stokes: Dùng tính toán khi có yêu

cầu độ chính xác cao hơn (thiết kế chi tiết)

2.3 Tải trọng sóng tác dụng lên công

trình ngoài khơi

 Trong tính toán tải trọng sóng tác dụng lên công

trình biển, kết cấu được xem như có vị trí cânbằng

 Lực do sóng tác dụng lên kết cấu được tính theo

hai phương pháp riêng biệt phụ thuộc vào kíchthước của kết cấu, theo đó, kết cấu được chiathành hai loại là nhỏ và lớn

 Trong phạm vi môn học này, chỉ xét đến dạng kết

cấu nhỏ mà thôi

2.3 Tải trọng sóng tác dụng lên công

trình ngoài khơi

 Do yếu tố phức tạp của tải trọng sóng, các công

thức tính toán lý thuyết được đưa ra dựa vào các

hệ số kinh nghiệm

 Cho đến nay, việc tính toán tải trọng sóng tác

dụng lên công trình ngoài khơi chủ yếu vẫn dựavào phương trình Morison với giả thiết đườngkính thanh hình trụ nhỏ hơn nhiều lần chiều dàisóng (D/L≤0.05) và bỏ qua biến dạng sóng khigặp tháp trụ

2.3.1 Tải trọng sóng tác dụng lên trụ

tròn thẳng đứng

2.3.1 Tải trọng sóng tác dụng lên trụ

tròn thẳng đứng

 Kết hợp hai thành phần tác dụng của vận tốc và

gia tốc của phần tử nước lên kết cấu, tải trọng

do sóng đều tác dụng lên một đơn vị dài thanhhình trụ được tính theo công thức kinh nghiệmcủa Morison như sau:

(2.55)

2.3.1 Tải trọng sóng tác dụng lên trụ

tròn thẳng đứng

 Với f là lực tác dụng theo phương ngang trên một đơn vị

chiều dài trụ, f i là lực do quán tính, f D là lực do ma sát, 

là khối lượng riêng nước biển, D là đường kính thanh hình trụ, C M là hệ số cản quán tính, C D là hệ số cản vận tốc (là các hệ số động lực học), u và a x lần lượt là vận tốc và gia tốc nằm ngang của phần tử nước đang xét do sóng gây ra được tính theo lý thuyết sóng đã chọn trước.

 Lực cản quán tính f i gây ra do gia tốc của các phần tử

chất lỏng, hoặc do sự chuyển động của chất lỏng bị chậm lại Trọng lực do ma sát (lực cản vận tốc) f D, |u|u để chỉ sự trùng hướng giữa f và u.

 Như vậy, từ các giá trị u, a x , C M và C D được xác định bởi

các lý thuyết sóng tương ứng, ta nhận được tải phân bố của sóng theo chiều dài của tháp trụ ở thời điểm bất kỳ

 Cánh tay đòn của hợp lực đối với đáy biển sẽ tìm được

sau khi xác định được F và M theo các công thức trên:

(2.56)

(2.57)

Tải trọng theo lý thuyết sóng Airy

 Xét sóng có biên độ nhỏ, chiều cao sóng H, tần số sóng

, số sóng k tại khu vực nước có độ sâu d.

Tải trọng theo lý thuyết sóng Airy

 Tương tự, biểu thức (2.57) đối với momen tải trọng sóng:

Với M i , M D là momen tương ứng do lực cản quán tính và lực cản vận tốc được tính theo công thức:

(2.62)

(2.63)

(2.64)

Tải trọng theo lý thuyết sóng Airy

 Trong đó :

(2.65)

(2.66)

Tải trọng theo lý thuyết sóng Airy

 Tỷ số lực cản vận tốc lớn nhất và lực cản quán tính lớn

nhất có dạng:

 Giá trị của µ khi d+η≈d được xác định như sau:

 Giá trị gần đúng của  khi các giá trị

(2.67)

(2.68)

Tải trọng theo lý thuyết sóng Airy

2.3.2 Tải trọng sóng tác dụng lên trụ

tròn xiên

 Việc sử dụng phương trình Morison đối với vật cản hình

trụ đặt xiên bất kỳ là vấn đề quan trọng khi nghiên cứu để xác định tải sóng tác dụng lên các liên kết ngang và các trụ xiên trong giàn khoan biển cố định bằng thép.

Hình 2.12:

Trụ tròn xiên

có vị trí bất

kỳ trong không gian theo hệ tọa

độ cực

2.3.2 Tải trọng sóng tác dụng lên trụ

tròn xiên

 Xét một phần tử thanh xiên bất kỳ trong không

gian với hệ tọa độ cực xyz như hình vẽ vớihướng sóng lan truyền theo phương x Chuyểnđộng của hạt nước được đặc trưng bởi thànhphần nằm ngang và thẳng đứng u, w và cácthành phần gia tốc tương ứng a x , a z

 Thành phần vận tốc theo phương pháp tuyến với

trục của ống trụ có dạng:

(2.71)

2.3.2 Tải trọng sóng tác dụng lên trụ

tròn xiên

 Sau khi có các biểu thức thành phần vận tốc, gia tốc, xây

dựng phương trình Morison đối với từng thành phần tải trọng sóng phân bố tác dụng lên vật cản hình trụ xiên đặt bất kỳ.

(2.75)

(2.76)

2.3.2 Tải trọng sóng tác dụng lên trụ

tròn xiên

 Tổng tải trọng sóng lên một đơn vị chiều dài trụ:

Trong đó, dấu của tải trọng tổng cộng (±) phụ thuộcvào dấu (chiều) của f x , f y , f z

(2.78)

2.3.3 Tải trọng sóng lớn nhất tác dụng

lên công trình

 Các biểu thức tính tải trọng sóng đối với trụ

thẳng đứng và những ống trụ có hướng bất kỳcũng được áp dụng để tính cho các phần tửkhác trong công trình nhằm xác định tải trọngnằm ngang cực đại của sóng điều hòa tác dụnglên toàn bộ công trình

 Nếu trụ tháp là thẳng đứng, ta sử dụng công

thức:

2.3.3 Tải trọng sóng lớn nhất tác dụng

lên công trình

 Trường hợp trụ nằm tại gốc tọa độ x=0, ta sử

dụng trực tiếp chúng để tính tải trọng tại thờiđiểm ωt bất kỳ

2.3.3 Tải trọng sóng lớn nhất tác dụng

lên công trình

 Tải trọng sóng nằm ngang tác dụng lên các phần

tử còn lại của công trình (nghiêng và ngang)được xác định bằng cách lấy tích phân các giá trị

2.4 Tải trọng do gió tác dụng lên công

trình ngoài khơi

 Đối với công trình ngoài khơi, gió tác dụng lên phần

công trình phía trên mặt nước, bao gồm các thiết bị, khu nhà ở và sinh hoạt, giàn thao tác,…

thường được xem như bất biến theo thời gian, có vận tốc trung bình bằng với vận tốc của dòng gió rối.

 Nhờ đó, tác động của gió lên kết cấu phần trên của

công trình ngoài khơi được đại diện bởi lực trung

hợp lực do môi trường biển tác động lên công trình.

 Vận tốc gió tại khu vực khai thác phải được phân tích

từ tài liệu đo gió hàng ngày (tại trạm quan trắc khí tượng gần nhất).

2.4.1 Vận tốc gió

 Vận tốc gió ở những độ cao khác nhau được tính

theo công thức sau đây:

Với V là vận tốc gốc tại độ cao z; V 0 là vận tốc gió tại độ cao h=10m.

Trong trường hợp không có tài liệu gió ngay tại khu vực giàn khoan mà phải lấy số liệu ở khu vực lân cận, cần lấy tăng giá trị thêm 10% để tăng độ an toàn.

(2.78)