OCDI PHẦN 2 (ĐIỀU KIỆN THIẾT KẾ)

Khi thiết kế cảng và bến tầu, phải lựa chon các điều kiện thiết kế từ các hạng mục nêu dưới đây, có xem xét đến các điều kiện tự nhiên, các điều kiện khai thác và thi công, các đặc thù của vật kiệu, các tác động của môi trường và yêu cầu của xã hội đối với công trình

Phần II Các điều kiện thiết kế

CH ƯƠ NG 1 : Đại c ơng 3

CH ƯƠ NG 2 Tàu 5

2.1 Kích thớc của tàu mục tiêu (Điều 21 Thông báo) 5

2.2 Các ngoại lực do tầu gây ra 14

CH ƯƠ NG 3 Gió và áp lực gió 28

3.1 Khái quát 28

3.2 Gió (Điều 3, Khoản 1 Thông báo) 29

3.3 áp lực gió (Điều 3, Khoản 2 Thông báo) 30

CH ƯƠ NG 4 Sóng 32

4.1 4.1 Khái quát 32

4.2 Phơng pháp xác định các điều kiện của sóng dùng trong thiết kế 42

4.3 Dự báo sóng 43

4.4 Xử lý thống kê các dữ liệu quan trắc và sóng đã dự báo 49

4.5 Sự biến dạng của sóng 52

4.6 Sóng leo, sóng tràn và sự truyền sóng 90

4.7 Sóng phủ và sóng vỗ bờ 100

4.8 Sóng chu kỳ dài và sóng lừng 102

4.9 Sóng trong bến cảng 103

4.10 Sóng do tàu 103

CH ƯƠ NG 5 : Lực sóng 110

5.1 Tổng quát (Điều 5, Khoản 1 Thông báo) 110

5.2 Lực sóng tác động lên tờng thẳng đứng 110

5.3 Trọng lợng tảng đá bảo vệ và khối bê tông 122

5.4 Lực sóng tác động lên các cấu kiện hình trụ và kết cấu riêng lẻ lớn 130

5.5 Lực sóng tác động lên kết cấu nằm gần mực nớc tĩnh 133

CH ƯƠ NG 6 Thuỷ triều và các mực n ớc khác thờng 138

6.1 Mực nớc thiết kế (Điều 6 Thông báo) 138

6.2 Thuỷ triều thiên văn 138

6.3 Nớc dâng do bão 140

6.4 Sóng thần 142

6.5 Sóng đứng 144

6.6 Mực nớc ngầm và hiện tợng thấm 147

CH ƯƠ NG 7 Dòng chảy và lực dòng chảy 150

7.1 Khái quát 150

7.2 Lực dòng chảy tác động lên các cấu kiện và các kết cấu ngập nớc (Điều 7 Thông báo) 150

7.3 Khối lợng của đá bảo vệ và khối bê tông chống lại dòng chảy (Điều 48, Khoản 6 Thông báo) 152

CH ƯƠ NG 8 Ngoại lực tác động lên một vật nổi và chuyển động của nó 154

8.1 Tổng quát 154

8.2 Ngoại lực tác động lên vật nổi (Điều 26, Khoản 1 Thông báo) 155

8.3 Chuyển động của vật nổi và lực neo (Điều 26 Khoản 2 Thông báo) 158

CH ƯƠ NG 9 Thuỷ lực cửa sông 160

CH ƯƠ NG 10 Dòng bùn cát ven bờ 167

10.1 Khái quát (Điều 9 thông báo) 167

10.2 Xói chung quanh kết cấu 176

10.3 Dự đoán biến dạng bãi biển 179

CH ƯƠ NG 11 Đất gốc 182

11.1 Phơng pháp xác định các điều kiện địa kỹ thuật 183

11.2 Tính chất vật lý của đất 184

11.3 Tính chất cơ học của đất 186

11.4 Góc ma sát trong theo giá trị N (Điều 10, Khoản 6 Thông báo) 195

11.5 áp dụng các phơng pháp thăm dò khác ngoài SPT (Điều 10, Khoản 7 Thông báo) 196

11.6 Tính chất động lực của đất 198

CH ƯƠ NG 12 Động đất và lực động đất 203

12.1 Tổng quát 203

12.2 Sức kháng chấn của các công trình trong cảng trong thiết kế (Điều 13 và Điều 16 Thông báo) 203

12.3 Phơng pháp hệ số động đất (Điều 14 Thông báo) 205

12.4 Hệ số động đất tính toán (Điều 15 và Điều 16 Thông báo) 206

12.5 Phân tích phản ứng động đất 213

12.6 Phơng pháp biến dạng động đất 216

CH ƯƠ NG 13 Sự hoá lỏng 219

13.1 Tổng quát 219

13.2 Dự đoán về hoá lỏng (Điều 17 Thông báo) 219

13.3 Các biện pháp chống hoá lỏng 223

CH ƯƠ NG 14 áp lực đất và áp lực n ớc 225

14.1 áp lực đất 225

14.2 áp lực đất trong các điều kiện bình thờng 225

14.3 áp lực đất trong động đất 227

14.4 áp lực nớc 231

CH ƯƠ NG 15 Tải trọng 233

14.5 Tổng quát 233

CH ƯƠ NG 16 Ch ơng 16 Hệ số ma sát 237

Phần II Các điều kiện thiết kế

(5) Thuỷ triều và các mực nớc biển bất thờng.

(6) Dòng chảy và lực của dòng chảy.

(7) Ngoại lực tác động lên các kết cấu nổi và chuyển động của chúng.

(8) Thuỷ lực học cửa sông và dòng chảy ven bờ.

Các điều kiện thiết kế cần xác định cẩn thận vì chúng có ảnh hởng lớn đến độ an toàn, chức năng

và chi phí thi công của công trình Các điều kiện thiết kế nêu trên là các điều kiện có ảnh hởng lớn đếncác công trình cảng và bến Chúng thờng đợc xác định dựa theo các kết quả khảo sát và thực nghiệm Do

đó các điều kiện thiết kế phải đợc xác định chính xác dựa trên sự hiểu biết đầy đủ về các phơng pháp vàkết quả của các công việc điều tra nghiên cứu và thực nghiệm Trờng hợp đối với các kết cấu tạm thời,các điều kiện thiết kế có thể đợc xác định có xem xét đến tuổi thọ dài ngắn của chúng

Phải xem xét mức độ quan trọng của công trình để khi thiết kế công trình có quan tâm thích

đáng đến mức độ an toàn và các mối quan hệ rộng rãi về kinh tế Các tiêu chuẩn thiết kế bị

ảnh hởng bởi tầm quan trọng của công trình là các tiêu chuẩn về điều kiện môi trờng, hệ số

động đất tính toán, tuổi thọ, tải trọng, hệ số an toàn v.v Khi xác định tầm quan trọng củacông trình, phải xét đến các tiêu chuẩn sau đây:

• ảnh hởng đến cuộc sống con ngời và và công trình chung quanh khi công trình bị h hỏng

• Tác động đến xã hội và nền kinh tế nếu công trình bị h hỏng

• Chức năng khai thác của công trình

Số năm trớc khi công trình không thể sử dụng đợc nữa do sự xuất hiện các vấn đề có liênquan đến chức năng của công trình, ví dụ chiều sâu nớc của một vùng neo tàu trở thànhkhông đủ do kích cỡ tàu tăng lên

• Quan điểm kinh tế của công trình

Số năm cho tới khi không thể cạnh tranh về kinh tế với các công trình khác mới hơn (trừkhi thực hiện một số cải tiến nào đó)

(d) Xác suất ngẫu nhiên

Xác suất ngẫu nhiên có quan hệ gần gũi với tuổi thọ Xác suất ngẫu nhiên E1 có đợc theo

(e) Điều kiện môi trờng

Không chỉ các điều kiện về sóng, động đất, địa hình và đất cát có ảnh hởng trực tiếp đến việcthiết kế công trình, mà cả chất lợng nớc, vật liệu đáy, đời sống động vật và thực vật, điều kiệnkhí quyển và mực nớc biển dâng lên do trái đất nóng lên cũng phải xem xét đến

(f) Vật liệu

Cần xét đến các ngoại lực, sự h hại, tuổi thọ, loại kết cấu, công tác thi công, chi phí và ảnh ởng của môi trờng và cảnh quan khi lựa chọn vật liệu Điều quan trọng nhất là phải đảm bảochất lợng yêu cầu Trong các năm gần đây, ngoài các vật liệu có tính truyền thống, đã bắt

h-đầu sử dụng các vật liệu mới nh thép không gỉ, ti tan và cao su mới và các vật liệu tái sinh nh

xỉ, tro than vá bùn nạo vét đợc

(i) Thời hạn thi công

Trờng hợp thời hạn thi công đã đợc quy định, cần phải xét đến đồng thời cả việc thiết kế vàphơng pháp thi công, sao cho có thể hoàn thành việc xây dựng trong thời hạn quy định Thờihạn xây dựng thờng đợc xác định tuỳ theo khả năng cung cấp vật liệu, thiết bị thi công, độkhó của việc xây dựng, ngày khánh thành và các điều kiện tự nhiên

(j) Chi phí xây dựng v v

Chi phí xây dựng bao gồm chi phí đầu t ban đầu và chi phí duy trì Tất cả các chi phí này phảixét đến khi thiêt kế và thi công Khi đó, cần phải xét đến việc đa công trình vào sử dụng sớm

và đảm bảo việc thu hồi vốn nhanh Cũng có phơng pháp thiết kế để cho công trình đa vào

sử dụng từng bớc một khi công việc xây dựng tiến triển mà vẫn đảm bảo độ an toàn phục vụ

và độ an toàn của công trình Cần nhớ rằng các chi phí đầu t ban đầu bao gồm cả tiền đềnbù

Khi tiến hành thiết kế vv phải xem xét thích đáng đến các vấn đề nh loại kết cấu và

ph-ơng pháp thi công, vì các chi phí xây dựng tuỳ thuộc vào vấn đề đó

[Tài liệu tham khảo]

CH ƯƠ NG 2 Tàu

2.1 Kích thớc của tàu mục tiêu (Điều 21 Thông báo)

Các kích thớc chính của tàu mục tiêu phải đợc xác định theo phơng pháp sau

đây:

(1) Trờng hợp tàu mục tiêu đã đợc xác định, dùng các kích thớc chính của tàu đó (2) Trờng hợp không thể xác định đợc tàu mục tiêu, dùng các kích thớc chính thích hợp xác định bằng phơng pháp thống kê (Chú thích kỹ thuật).

[Chỉ dẫn kỹ thuật]

(1) Điều 1 khoản 2 của Pháp lệnh quy đinh tàu mục tiêu là tàu có trọng tải tổng cộng lớn nhất“ ”

trong số các tàu dự kiến sử dụng các công trình cảng và bến đang xem xét Theo đó, trònghợp tàu mục tiêu đã xác định đợc, sử dụng các kích thớc chính của tàu đó

(2) Trờng hợp không xác định đợc tàu mục tiêu, nh trờng hợp công trình cảng và bến dùng chocông cộng, các kích thớc chính của tàu mục tiêu có thể xác định theo Bảng T.2.1.1, trongbảng này trọng tải tàu (thờng là trọng tải bì hoăc trọng tải hàng) đợc sử dụng nh những chỉ số

đại diện

(3) Bảng T.2.1.1 liệt kê các kích th “ ớc chính của tàu trong tròng hợp tàu mục tiêu không thể xác

định đợc theo mức độ trọng tải Các giá trị này có đ” ợc bằng các phơng pháp nh phân tíchthống kê 1),2), và chúng đại diện chủ yếu cho 75% các giá trị của các tầu cho mỗi loại trọngtải Do đó, với mỗi loại trọng tải, sẽ có một số tầu có các kích thớc chính vợt quá các giá trịtrong bảng Cũng có các tàu có trọng tải lớn hơn trọng tải của tàu mục tiêu ghi trong bảng,nhng lại có kích thớc nhỏ hơn kích thớc của tàu mục tiêu

(4) Bảng T.2.1.1 có đợc là do sử dụng các số liệu của Tin tức Hàng hải của Lloyd tháng 6/ 95 “ ”

và Nihon Senpaku Meisaisho (Danh mục chi tiết các tàu Nhật bản , 1995) Định nghĩa các“ ”

kích thớc chính của tàu, xem trong Bảng T.2.1.1.

(5) Vì các kích thớc chính của các phà đờng dài chạy quá 300 km có xu hớng mang những đặc

điểm khác với các phà chạy đờng gần và trung bình, nên các kích thớc chính đợc ghi riêngcho phà đ“ ờng xa và phà đ” “ ờng gần và trung bình ”

(6) Vì các kích thớc chính của tàu khách Nhật có xu hớng mang những đặc điểm khác với các tàukhách ngoại quốc, các kích thớc chính đợc ghi riêng cho Tàu khách Nhật và tàu khách“ ”

ngoại quốc ”

(7) Chiều cao cột thay đổi đáng kể ngay đối với các tàu cùng loại và cùng trọng tải, do đó khithiết kế các công trình nh cầu vợt qua các tuyến hàng hải, cần phải khảo sát về chiều cao cộtcủa tàu mục tiêu

(8) Trờng hợp tàu mục tiêu đợc biết là một tàu hàng nhỏ, nhng lại không thể xác định một cáchchính xác kích thớc của tàu, các kích thớc chính của tàu hàng nhỏ có thể xác định theo Bảng T.2.1.2 Các giá trị của Bảng T.2.1.2 cũng có đợc bằng cách sử dụng cách thức nh với Bảng T.2.1.1, nhng với tàu hàng nhỏ, có các biến động lớn về kích thớc chính nên phải đặc biệt cẩn

phù hợp với các điều khoản của các hiệp ớc vv , nhng chủ yếu là cho các tàu chạy đờngbiển quốc tế Giá trị của trọng tải bì và trọng tải bì quốc tế có thể khác nhau, quan hệ“ ” “ ”

giữa chúng đợc quy định trong Điều 35 của “Các điều bổ sung đối với Pháp lệnh liên quan đến việc đo trọng tải tàu (Pháp lệnh số 47, 1981) ”

(b) Trọng tải hàng:

Trọng tải lớn nhất, biểu thị bằng tấn, của hàng hoá tàu có thể chứa đợc

(c) Trọng tải choán chỗ:

Lợng nớc, biểu thị bằng tấn bị tàu choán chỗ khi tàu đứng im

(10)Để cho nhất quán, phơng trình (2.1.1) cho mối quan hệ giữa trọng tải hàng (DWT) và trọng tảibì (GT) đối với các loại tàu sử dụng trọng tải hàng làm chỉ số đại diện 1) Với mỗi loại tàu, cóthể sử dụng phơng trình nếu trọng tải nằm trong phạm vi cho trong Bảng T.2.1.1

Tàu chở container GT = 0,880 DWT (2.1.1)Tàu dầu GT = 0,553 DWT

Tàu cho xe lên xuống đợc GT = 0.808 DWT

trong đó: GT: Trọng tải bì

DWT: Trọng tải hàng

(11) Các bảng từ T.2.1.3 đến T.2.1.6 liệt kê sự phân bố theo tần số các kích thớc chính của các

tàu hàng bách hoá, tàu hàng rời, tàu hàng container, và tàu dầu, chúng đợc phòng thí nghiêmcác hệ thống của Viên nghiên cứu Cảng và bến (PHRI – Port and Harbour ResearchInstitute) phân tích theo các dữ liệu lấy từ bản Tin tức hàng hải Lloyd tháng 6 /1998 “ ”

Hình T-2.1.1 Định nghĩa các kích thớc chính của tàu

Bảng T-2.1.1 Các kích thớc chính của tàu trong trờng hợp tàu mục tiêu không thể định dạng.

(MNTN)

(MNTN)

Chiều dài giữa hai trụ

Trọng tải (DWT) Tổng chiều dài (m) Bề rộng (m) Mớn đầy hàng (m)

Trọng tải (DWT) Tổng chiều dài (m) Bề rộng (m) Mớn đầy hàng (m)

3 Phà

Trọng tải (DWT) Tổng chiều dài (m) Bề rộng (m) Mớn đầy hàng (m)

Trọng tải (DWT) Tổng chiều dài (m) Bề rộng (m) Mớn đầy hàng (m)

Trọng tải (DWT) Tổng chiều dài (m) Bề rộng (m) Mớn đầy hàng (m)

Trọng tải (DWT) Tổng chiều dài (m) Bề rộng (m) Mớn đầy hàng (m)

Trọng tải (DWT) Tổng chiều dài (m) Bề rộng (m) Mớn đầy hàng (m)

Trọng tải (DWT) Tổng chiều dài (m) Bề rộng (m) Mớn đầy hàng (m)

3-A Phà đờng gần và trung bình (cự ly nhỏ hơn 300km)

7 Tµu dÇu

B¶ng T-2.1.2 KÝch thíc chÝnh cña tµu hµng nhá

B¶ng T-2.1.3 Ph©n bæ tÇn su©t c¸c kÝch thíc chÝnh cña tµu hµng b¸ch ho¸

Träng t¶i (DWT) Tæng chiÒu dµi (m) BÒ réng (m) Mín ®Çy hµng (m)

Träng t¶i (DWT) Tæng chiÒu dµi (m) BÒ réng (m) Mín ®Çy hµng (m)

B¶ng T-2.1.4 Ph©n bæ tÇn suÊt c¸c kÝch thíc chÝnh cña tµu chë hµng rêi

(a) DWT – Tæng chiÒu dµi

(b) DWT – BÒ réng

(c) DWT – Mín ®Çy hµng

Kh«ng râ Kh«ng râ

B¶ng T-2.1.5 Ph©n bè tÇn suÊt c¸c kÝch thíc chñ yÕu cña tµu chë container

(a) DWT – Tæng chiÒu dµi

(b) DWT – BÒ réng

(c) DWT – Mín ®Çy hµng

Kh«ng râ Kh«ng râ

Kh«ng râ Kh«ng râ

Kh«ng râ Kh«ng râ

Tæng

Tæng

Tæng

B¶ng T-2.1.6 Ph©n bè tÇn suÊt c¸c kÝch thíc chÝnh cña tµu dÇu

(a) DWT – Tæng chiÒu dµi

2.2 Các ngoại lực do tầu gây ra

2.2.1 Tổng quát

Các ngoại lực tác động lên các công trình neo đậu khi một tàu cập bến hoặc neo đậu

đ-ợc xác định bằng cách sử dụng một phơng pháp thích hợp, có xét đến kích thớc của tàu mục tiêu, phơng pháp cập bến và tốc độ cập bến, kết cấu của công trình neo tàu, phơng pháp neo buộc và các tính chất của hệ thống neo, cùng với ảnh hởng của gió, sóng và dòng thuỷ triều.

[Chú giải]

(1) Phải xét đến các tải trọng tác động lên các công trình neo đậu dới đây khi một tàu cập bếnhoặc neo đậu:

(a) Tải trọng do tàu cập bến

(b) Tải trọng do các chuyển động của một tàu đã neo buộc

Khi thiết kế công trình neo tàu, trớc hết phải xét đến lực cập bến, sau đó là các lực xung kích

và lực kéo lên công trình neo buộc do các chuyển động của tàu đã neo, các chuyển độngnày do lực sóng, lực gió và dòng chảy gây ra Đặc biệt, trong trờng hợp công trình neo buộctrong các cảng và bến đối mặt với biền khơi dự đoán sẽ có các con sóng chu kỳ dài, các côngtrình nằm ngoài biển khơi hoặc các lối vào bến nh các bến ngoài khơi, và các công trình neobuộc trong các bến ở đó các tầu tìm chỗ trú ẩn khi có bão, ảnh hởng của lực sóng tác độnglên tàu là lớn, do đó phải xét đoán nghiêm túc đến lực sóng

(2) Nh một quy tắc chung, các lực cập bến tác động lên công trình neo buộc phải đợc tính toándựa trên năng lợng cập bến của tàu và sử dụng các đờng đặc trng tải trọng - độ võng của cácthanh chống va

(3) Nh một quy tắc chung, các lực kéo và lực xung kích do các chuyển động của một tàu đã neogây ra phải tính đựoc bằng cách làm mô hình số các chuyển động của tàu có xét đến lực tác

động lên tàu, lực gió, lực dòng chảy, và đặc trng tải trọng - độ võng của hệ thống neo

2.2.2 Cập bến

[1] Năng lợng cập bến (Điều 32, Khoản 1 Thông báo)

Ngoại lực gây ra do một tàu cập bến đợc tính theo phơng trình sau đây:

Ms : khối lợng của tàu (t)

V : tốc độ cập bến của tàu (m/s)

Ce : hệ số lệch tâm

Cm : hệ số khối lợng ảo

Cs : hệ số độ mềm (giá trị tiêu chuẩn là 1,0)

Cc : hệ số hình thể của bến (giá trị tiêu chuẩn là 1,0)

[Chú giải]

Ngoài phơng pháp động năng nói trên, cũng có các phơng pháp khác để ớc tính năng lợng cập bến củatàu: ví dụ, phơng pháp thống kê, phơng pháp sử dụng các thí nghiệm mô hình thuỷ lực, và phơng pháp sửdụng mô hình động chất lỏng 3) Tuy nhiên, với các phơng pháp này, các dữ liệu cần thiết cho việc thiết kếkhông đầy đủ và các giá trị của các hằng số sử dụng trong tính toán có thể cha đợc hiểu biết đầy đủ Vìvậy thờng sử dụng phơng pháp động năng

[Chỉ dẫn kỹ thuật]

(1) Nếu giả định một con tàu khi cập bến chỉ chuyển động theo hớng ngang sờn, động năng E s bằng

(M sV 2 )/2 Tuy nhiên, khi một tàu cập vào một cọc buộc tàu, một tờng bến hoặc một dầm cập tàu có

trang bị các thanh chống va, năng lợng bị các thanh chống va hấp thụ (nghĩa là năng lợng cập tàu Ef

của tàu) sẽ là E s x f có xét đến các nhân tố ảnh hởng khác nhau, f= Ce Cm Cs.Cc.

(2) Khối lợng của tàu M s lấy bằng trọng tải choán chỗ (DT) của tàu mục tiêu Trờng hợp không thể xác

định đợc tàu mục tiêu có thể sử dụng phơng trình (2.2.2) 1) để có quan hệ giữa trọng tải hàng (DWT)hoặc trọng tải bì (GT) và trọng tải choán chỗ (DT)

Tàu hàng (dới 10.000 DWT): log(DT) = 0,550 + 0,899 log(DWT)

Tàu hàng (10.000 DWT hoặc hơn):log(DT)= 0,511 + 0,913 log(DWT)

Phà (đờng gần và trung bình): log(DT)= 0,506 + 0,904 log(GT) (2.2.2)

Tàu cho xe lên xuống đợc: log(DT)= 0,657 + 0,909 log(DWT)

Tàu khách (ngoại quốc): log(DT)= 0,341 + 0,891 log(GT)

(4) Khi một tàu cập bến, lợng nớc nằm giữa tàu và công trình neo đậu không thoát ra đợc và tác

động nh có một cái đệm đặt ở khoảng cách đó Do đó, năng lợng mà thanh chống va phải

hấp thụ sẽ giảm đi ảnh hởng này đợc xét đến khi xác định hệ số hình thể C c của bến ảnh ởng này phụ thuộc vào các vấn đề nh góc cập bến, hình dạng vỏ tàu, khoảng trống dới sốngtàu, và tốc độ cập bến, nhng việc nghiên cứu này cha nhiều

h-[2] Tốc độ cập bến

Tốc độ cập bến của một tàu phải xác định dựa trên sự đo đạc tại chỗ hoặc số liệu đã có của các lần đo đạc tơng tự, có xét đến loại tàu mục tiêu, mức độ chất tải của tàu, vị trí

và kết cấu của công trình neo buộc, các điều kiện thời tiết và hải dơng học, và khả năng

có hoặc không có tàu lai dắt và kích thớc của chúng.

[Chỉ dẫn kỹ thuật]

(1) Quan sát cách mà một tàu hàng lớn và tàu dầu lớn cập bến, ta thấy các tàu đó tạm thời dừnglại, tàu nằm song song với tờng bến ở một khoảng cách nào đó Sau đó, chúng đợc các tàulai đẩy nhẹ vào cho tới khi chúng tiếp xúc với bến Khi có cơn gió mạnh thổi vào bến, các tàunày có thể cập vào bến trong khi thực sự chúng bị các tàu lai kéo ra Khi chấp nhận phơng

pháp cập bến này, thông thờng vận tốc cập bến có thể lấy bằng 10 – 15 cm/ s dựa theo các ví dụ thiết kế trớc đây.

(2) Các tàu đặc biệt nh phà, tàu cho xe chạy lên chạy xuống đợc, và các tàu hàng nhỏ cập bếnbằng năng lợng của bản thân mà không cần đến tàu lai Nếu có một cầu dốc ở mũi hoặc

đuôi tàu, tàu có thể đứng vuông góc với bến Trong các trờng hợp này, có thể sử dụng mộtphơng pháp cập bến khác phơng pháp dùng cho các tàu lớn hơn mô tả trong (1) Khi đó cầnxác định cẩn thận tốc độ cập bến dựa vào các giá trị đo thực tế, chú ý đến loại phơng phápcập bến sử dụng cho tàu mục tiêu

(3) Hình T.2.2.1 cho quan hệ giữa các điều kiện thao tác tàu và tốc độ cập bến theo cỡ tàu 4) ,hình này đợc lập ra dựa trên các số liệu thu thập đợc qua kinh nghiệm Hình này cho thấytàu càng lớn, tốc độ cập bến càng thấp, hơn nữa, tốc độ cập bến phải lấy cao nếu công trìnhneo buộc không có đê chắn sóng bảo vệ

(4) Theo các kết quả khảo sát về tốc độ cập bến 5),6), tốc độ cập bến thờng nhỏ hơn 10 cm/s đốivới các tàu chở hàng bách hoá, nhng có một số ít trờng hợp nó vợt trên 10 cm/s (xem Hình T.2.2.2) Tốc độ cập bến chỉ thỉnh thoảng vợt quá 10 cm/s đối với tàu dầu lớn sử dụng các

bến ngoài khơi (xem Hình T.2.2.3) Ngay đối với các phà cập bến bằng chính năng lợng của

chúng, phần lớn chúng cập bến với tốc độ nhỏ hơn 10 cm/s Tuy nhiên, có số ít tr ờng hợptốc độ cập bến trên 15 cm/s và khi đó phải cẩn thận khi thiết kế các bến phà (xem HìnhT.2.2.4) Từ các kết quả khảo sát nói trên cũng rõ ràng là mức độ chất tải của tàu ảnh hởng

đáng kể đến tốc độ cập tàu Nói cách khác, nếu một tàu chất tải đầy, có nghĩa là khoảngtrống dới sống tàu nhỏ, khi đó tốc độ cập bến có xu hớng hạ thấp, trong khi nếu tàu chởnhẹ, có nghĩa là khoảng trống dới sống tàu lớn, khi đó tốc độ cập bến có xu hớng cao hơn

Tốc độ cập tàu (cm/s)Hình T-2.2.1 Quan hệ giữa các điều kiện cập tàu và

tốc độ cập tàu theo kích thớc tàu 4)

Khó khăn

không đ ợc che chắn Cập tàu thuận lợi không đ ợc che chắn Cập tàu dễ dàng không đ ợc che chắn Cập tàu khó khăn

đ ợc che chắn Cập tàu thuận lợi

Lợng choán nớc DT (10.000 tấn)Hình T-2.2.3 Tốc độ cập tàu và lợng choán nớc đối với tàu dầu lớn 6)

Lợng choán nớc DT (tấn)Hình T-2.2.4 Tốc độ cập tàu và lợng choán nớc đối với phà cập dọc bến 5)

Theo khảo sát của Moriya, tốc độ cập bến trung bình đối với tàu hàng, tàu container, và tàuchuyên dụng chở xe ô tô đợc liệt kê trong Bảng T.2.2.1 Mối quan hệ giữa trọng tải hàng và tốc

độ cập bến đợc cho trong Hình T.2.2.5 Khảo sát này cũng cho thấy tàu càng lớn, tốc độ cập bến

có xu hớng càng thấp Tốc độ cập bến cao nhất quan sát đợc là khoảng 15 cm/s đối với tàu dới 10.000 DWT và khoảng 10 cm/s đối với tàu 10.000 DWT hoặc lớn hơn.

7,87,24,94,13,4

-4,64,74,4-

-8,17,25,34,64,13,4

(5)Hình T.2.2.6 cho sự phân bổ tần suất của tốc độ cập bến có đợc từ các ghi chép đo đạc thực tế ở các

bến ngoài khơi cho các tàu dầu lớn khoảng 200.000 DWT sử dụng Có thể thấy tốc độ cập bến caonhất đo đợc là 13 cm/s Nếu các số liệu đợc giả định theo sự phân bố Weibull, khi đó xác suất tốc độcập bến dới 13 cm/s sẽ là 99,6% à trung bình là 4,41 cm/s và độ lệch chuẩn s là 2,08 cm/s Việc ápdụng sự phân bổ Weibull cho ta hàm mật độ xác suất f(v) biểu thị trong phơng trình (2.2.3)

) exp(

8 , 0 )

Từ phơng trình này, xác suất của tốc độ cập bến vợt quá 14,5 cm/s sẽ là 1/1000 Các bến ngoài khơitại đó có đo đạc tốc độ cập bến đã có tốc độ cập bến tính toán bằng 15 cm/s hoặc 20 cm/s 7)

(6) Các tàu nhỏ nh tàu hàng loại nhỏ và tàu đánh cá vào bến bằng cách dùng năng lợng của bản thânkhông có sự trợ giúp của tàu lai dắt Do đó, tốc độ cập bến nói chung thờng cao hơn tàu lớn và trongmột số trờng hợp nó có thể vợt quá 30 cm/s Đặc biệt với các tàu nhỏ, cần xác định cẩn thận tốc độcập bến dựa trên các giá trị đo đạc thực tế

(7) Trong các trờng hợp mà phơng pháp cập bến thận trọng nh mô tả trong (1) không đợc sử dụng, hoặctrong trờng hợp các tàu kích thớc cỡ nhỏ hoặc trung bình cập bến có chịu ảnh hởng của dòng chảy,cần xác định tốc độ cập bến dựa trên các số liệu đo đạc thực tế, có xét đến tốc độ trôi giạt của tàu dodòng chảy gây ra

(8) Khi thiết kế công trình neo đậu có thể cho cả tàu đánh cá sử dụng, nên tiến hành công việc thiết kếdựa trên các tiêu chuẩn tính toán cho công trình cảng và các tình trạng sử dụng thực tế

[3] Hệ số lệch tâm (Điều 22 , Khoản 2 Thông báo)

=

r l

(2.2.4)

trong đó :

l : khoảng cách từ điểm mà tàu chạm vào công trình neo đậu tới trọng tâm của

tàu đó dọc theo đờng mặt của công trình neo đậu (m)

r : bán kính quay xung quanh trục thẳng đứng đi qua trọng tâm của tàu (m)

[Chỉ dẫn kỹ thuật]

(1) Khi một tàu đang ở giữa thao tác cập bến, nó không nằm hoàn toàn dọc theo đờng mặt của bến Điều

đó có nghĩa là sau khi tàu chạm vào công trình neo đậu (thanh chống va), tàu bắt đầu quay và chòngchành Vấn đề này dẫn đến kết quả là một số động năng của tàu đã bị tiêu hao Lợng năng lợng đã bịtiêu hao do chòng chành thì nhỏ so với năng lợng do quay và có thể bỏ qua Do đó phơng trình(2.2.4) chỉ xét đến lợng năng lợng đợc sử dụng do quay tàu

Hình T-2.2.5 Quan hệ giữa trọng tải

10)

Tàu hàng Tàu container Tàu chở ôtô

Phân bổ Poisson m=3 Phân bổ Poisson m=4 Phân bổ Weibull Phân bổ chuẩn tắc

r : bán kính quay; nó liên quan đến mô men quán tính Iz xung quanh trục thẳng đứng của tàu theo

quan hệ I z = Ms r 2

Lpp : chiều dài giữa các đờng thẳng đứng (m)

Cb : Hệ số khối; Cb = ∇/(Lpp Bd) (∇: thể tích nớc do tàu choán chỗ (m3), B: chiều rộng thân tàu(m),d: mớn nớc(m) )

(3)Nh đã phác hoạ trong Hình T.2.2.8 khi một tàu tiếp xúc với tấm chống va F1 và F2 với điểm của tàugần tờng bến nhất là điểm P, khoảng cách l từ điểm tiếp xúc tới trọng tâm tàu đo song song với côngtrình neo đậu đợc cho trong phơng trình (2.2.6) hoặc (2.2.7); l đợc lấy bằng L1 khi k < 0,5 và L2 khi k >0,5; Khi k = 0,5, l đợc lấy theo L1 hoặc L2 tuỳ theo khoảng cách nào cho giá trị Ce cao hơn trong ph-

ơng trình (2.2.4)

Hệ số khối Cb

Hình T-2.2.7 Quan hệ giữa bán kính quay quanh Hình T-2.2.8 Tàu cập bến

trục thẳng đứng và hệ số khối (Myers, 1969) 7)

θ

α ( 1 ) cos 5

, 0

θ

α ) cos 5

, 0

L2: khoảng cách từ diểm tiếp xúc tới trọng tâm tàu đo song song với công trình neo đậu khi tàu tiếp xúcvới thanh chống va F2.

θ : góc cập bến (giá trị của θ đợc chọn nh một điều kiện thiết kế; nó thờng đợc chọn trong phạm vi 0

~100 )

e : tỉ số của khoảng cách giữa các thanh chống va, đo theo chiều dọc tàu so với chiều dài giữa hai trụ

α : tỉ số của chiều dài cạnh song song của tàu tại chiều cao của điểm tiếp xúc với thanh chống va so vớichiều dài gữa hai trụ, tỉ số này thay đổi tuỳ theo các yếu tố nh loại tàu và hệ số khối v.v nhng th-ờng nằm trong phạm vi 1/3 – 1/2

k: thông số đại diện cho vị trí tơng đối của điểm mà tàu tới gần công trình neo đậu nhất giữa các thanh

F1 và F2; k thay đổi giữa 0 và 1 , nhng thờng lấy k = 0,5

[4] Hệ số khối lợng ảo (Điều 22, Khoản 3 Thông báo)

Hệ số khối lợng ảo đợc tính theo các phơng trình sau:

(1)Khi một tàu cập bến, tàu (có khối lợng Ms ) và khối lợng nớc xung quanh tàu (có khối lợng Mw), cả hai

đều giảm tốc Theo đó, lực quán tính tơng ứng với khối lợng nớc sẽ cộng với lực quán tính của tàu Hệ

số hiệu ảo do đó đợc xác định bằng công thức (2.2.9)

ts

w ts m

M

M M

(2.2.9)trong đó :

Cm : hệ số khối lợng ảo

Ms : khối lợng tàu (t)

Mw : khối lợng nớc xung quanh tàu (khối lợng nớc cuốn theo) (t)

Phơng trình do Ueda 8) kiến nghị (2.2.8) dựa trên các kết quả thí nghiệm mô hình và quan sát hiện ờng Số hạng thứ hai trong phơng trình (2.2.8) tơng ứng với Mw / Ms trong phơng trình ( 2.2.9)

tr-(2)Nh một quy tắc chung, các giá trị thực tế của tàu mục tiêu đợc dùng cho chiều dài giữa hai trụ (Lpp),chiều rộng (B), và mớn đầy tải (d) Nhng khi sử dụng một trong các kích cỡ của tàu tiêu chuẩn, ta cóthể sử dụng các kích thớc chính cho trong 2.1 Kích thớc của tàu mục tiêu Các phơng trình hồi quy

đã đợc kiến nghị về mối quan hệ giữa trọng tải hàng, chiều rộng thân tàu và mớn đầy tải 1) Cũng cóthể sử dụng các phơng trình (2.2.10) cho quan hệ giữa trọng tải hàng (DWT) hoặc trọng tải bì (GT)với chiều dài giữa các đờng thẳng đứng cho các loại tàu khác nhau:

Tàu hàng (dới 10.000 DWT): log(Lpp) = 0,867 + 0,310 log(DWT)

Tàu hàng (10.000 DWT hoặc hơn): log(Lpp)= 0,964 + 0,285 log(DWT)

Phà (đờng xa,

(2.2.8)

Tàu cho xe lên xuống đợc: log(Lpp)= 0,840 + 0,349 log(DWT)

Tàu khách (ngoại quốc): log(Lpp)= 0,787 + 0,330 log(GT)

(3)Thể tích nớc bị tàu choán chỗ V đợc xác định bằng cách chia trọng tải choán chỗ (DT) cho tỷ trọng

n-ớc biển (1,03 t / m3)

2.2.3 Tàu neo buộc

[1] Chuyển động của tàu neo buộc (Điều 23 Thông báo)

Theo quy tắc chung, các ngoại lực do các chuyển động của tàu neo buộc gây ra đợc tính toán bằng cách thực hiện một mô phỏng bằng số các chuyển động của tàu, với lực sóng tác động lên tàu, lực gió, lực dòng chảy do các dòng chảy gây ra vv đợc thể hiện một cách thoả đáng

[Chú giải]

(1)Các tàu neo đậu tại các công trình neo buộc nằm ngoài biển hở hoặc gần các lối vào biển, hoặctại các công trình neo buộc ở các bến bên trong tại đó dự đoán có các sóng chu kỳ dài, cũng nhvới các tàu neo đậu trong khi có bão, có khả năng bị dịch chuyển bởi ảnh hởng của các tải trọng

do sóng, gío, dòng chảy v.v Trong một vài trờng hợp, động năng do các chuyển động đó tạo ra

có thể vợt quá năng lợng cập tàu Trong các trờng hợp đó, cần quan tâm đầy đủ đến các kực kéo

và lực xung kích do các chuyển động của tàu gây ra khi thiết kế các bích neo và thanh chống va

(2) Tổng lực sóng tác động lên một thân tàu đợc phân tích bằng cách chia nó thành lực sóng kíchthích do các sóng đi tới và lực bức xạ (toả ra) đợc gây ra khi tàu chuyển động Lực sóng kích thích

do các sóng đi tới là lực sóng tính cho trờng hợp các cuyển động của tàu bị kìm hãm Lực toả ra làlực sóng tác động lên thân tàu khi tàu chịu một chuyển động có biên độ bằng đơn vị cho mỗidạng chuyển động Lực toả ra có thể biểu thị bằng tổng của một số hạng tỷ lệ với gia tốc của tàu

và một số hạng tỷ lệ với tốc độ Đặc biệt , số hạng trớc có thể biểu thị bằng một khối lợng cộngthêm chia cho gia tốc, còn số hạng sau đợc biểu thị bằng một hệ số suy giảm chia cho vận tốc 12).Ngoài ra, một lực động chất lỏng phi tuyến tỷ lệ với bình phơng của chiều cao sóng tác động lêntàu (Xem 8.2.Ngoại lực tác động lên vật nổi)

(3) Với các tàu có hệ số khối bằng 0,7 ~ 0,8 nh các tàu dầu, thân tàu có thể đợc đại diện bởi mộthình trục ellip, cho phép đánh giá gần đúng lực sóng 13)

(4) Với các tàu hình hộp nh tàu thi công, lực sóng có thể có đợc bằng cách xem tàu nh một vật nổi cótiết diện ngang chữ nhật hoặc vật nổi hình trục chữ nhật

[Chỉ dẫn kỹ thuật]

(1) Lực sóng theo phơng pháp dải 11),12)

(a) Lực sóng của các sóng đều đặn tác động lên thân tầu

Lực sóng tác động lên thân tầu đợc lấy bằng cách tích phân lực Froude- Kriloff và lực do cácsóng bị thân tầu phản xạ lại (lực nhiễu xạ)

(b) Lực Froude- Kriloff

Lực Froude- Kriloff là lực có đợc từ việc tổng hợp áp lực của các sóng tiến vào xung quanhchu vi thân tầu Trờng hợp một tầu bị neo trớc một tờng bến, nó đợc lấy bằng tổng các lựccủa các sóng đi tới và lực của các sóng phản xạ từ tờng

(c) Lực nhiễu xạ

Lực nhiễu xạ tác động lên một tầu là lực đợc sinh ra do sự thay đổi trờng áp lực khi các sóng

đi tới bị thân tầu phân tán Để ớc tính, sự thay đổi trong áp lực có thể thay thế bởi lực bức xạ(sóng cản khi tầu chuyển động với một vận tốc nào đó trong một chất lỏng tĩnh lặng) với tr-ờng hợp thân tầu chuyển động so với chất lỏng Trong trờng hợp này, giả định rằng vận tốccủa tầu bằng với vận tốc của mặt cắt ngang với thân tầu so với các phần tử nớc trong cácsóng tới Vận tốc này gọi là Vận tốc t” ơng đối tơng đơng”

(d) Tổng lực tác động lên thân tầu

Tổng các lực sóng tác động lên thân tầu có đợc bằng cách tích phân lực Froude- Kriloff và

lực nhiều xạ tác động lên một mặt cắt ngang thân tầu theo phơng dọc từ x = - L pp/2 tới x = Lpp/2

(2)Lực sóng theo lý thuyết nhiễu xạ 13)

Trờng hợp mà tầu nghiên cứu rất dày (nghĩa là có hệ số khối Cb bằng 0,7~0,8), không có kết cấuphản xạ ví dụ tờng bến đằng sau tầu, và các chuyển động của tầu đợc xem là rất nhỏ, tầu có thể

đợc đại diện bởi một hình trụ elíp và lực sóng có thể tính theo phơng trình dựa trên lý thuyết nhiễuxạ 13)

[3] Lực gió tác động lên tàu

Lực gió tác động lên tầu bị neo buộc phải đợc xác định bằng một công thức tính toán thích hợp

[Chú giải]

Nên xác định lực gió tác động lên một tầu bị neo khi xem xét sự dao động tạm thời của vận tốc gió và các

đặc trng của các hệ số cản, điều này phụ thuộc vào hình dạng mặt cắt ngang của tầu

[Chỉ dẫn kỹ thuật]

(1)Tải trọng của gió tác động lên tầu đợc xác định từ các phơng trình (2.2.11) ~ (2.2.13), sử dụng các

hệ số cản Cx và Cy trong các phơng X và Y và hệ số mômen áp lực CM ở phần giữa tàu

X T

2A 2

1

C U

Y L

2A 2

1

C U

M L

2A 2

1

C L U

trong đó:

Cx : hệ số cản trong phơng X (từ phía trớc tàu)

Cy : hệ số cản trong phơng Y (từ phía bên cuả tàu)

CM : hệ số mômen áp lực ở khoảng giữa thân tàu

Rx : thành phần X của lực gió (kN)

Ry : thành phần Y của lực gió (kN)

RM : mômen của tải trong gió ở giữa thân tàu(kN.m)

AL : diện tích chiếu mặt bên bên trên mặt nớc (m3)

Lpp : chiều dài giữa hai trụ (m)(2) Nên xác định các hệ số lực gió Cx, Cy và CM thông qua các thử nghiệm đờng ống gió hoặc thửnghiệm bể nớc đối với tàu mục tiêu Vì các thí nghiệm đó đòi hỏi thời gian và chi phí, có thể chấpnhận cho sử dụng các phơng trình tính toán đối với các hệ số lực gió dựa trên các thử nghiệm đ-ờng ống gió hoặc thử nghiệm bể nớc đã đợc tiến hành trớc đây

(3) Vận tốc gió tối đa (vận tốc gió trung bình 10 phút) đợc sử dụng làm vận tốc gió U

(4) Đối với diện tích chiếu mặt trớc bên trên mặt nớc và diện tích chiếu mặt bên bên trên mặt nớc,nên dùng các giá trị cuả tàu mục tiêu Với kích thớc tàu tiêu chuẩn, có thể tham khảo các phơngtrình hồi quy 1)

(5) Vì vận tốc gió thay đổi cả theo thời gian và không gian, vận tốc gió có thể đợc xem nh dao độngtrong khi phân tích các chuyển động của tàu neo Davenport16) và Hino đã kiến nghị phổ tần sốcho các dao động theo thời gian của vận tốc gió Phổ tần số do Davenport và Hino kiến nghị đợccho bởi các phơng trình (2.2.14) và (2.2.15)

2 2

10

/ 1200

) 1 ( 4

) (

U f X

X

X U

K f

3

6 2 2

10

10 10

169 , 1

1 856

, 2 ) (

α

α β

β β

m

r

r u

z K U

f U

K f

S

trong đó:

Su (f) : phổ tần số của vận tốc gió (m2 s)

U10 : vận tốc gió trung bình ở chiều cao tiêu chuẩn 10 m (m/s)

Kr : hệ số ma sát đối với bề mặt đợc xác định với vận tốc gió ở chiều cao tiêu chuẩn; trên biển, Kr

= 0,003 là thích hợp

α : số mũ khi profin thẳng đứng của vận tốc gió đợc biểu thị bằng định luật dạng luỹ thừa [ U∝

(z/10)α ]

z : chiều cao bên trên mặt đất hoặc mặt biển (m)

m: hệ số hiệu chỉnh liên quan tới độ ổn định của khí quyển; m đợc lấy bằng 2 cho trờng hợp bão

[4] Lực dòng chảy tác động lên tàu

áp lực dòng chảy do các dòng thuỷ triều tác động lên tàu đợc xác định bằng một công thức tính toán thích hợp.

[Chỉ dẫn kỹ thuật]

(1) áp lực dòng chảy do các dòng chảy đập vào mũi tàu

áp lực dòng chảy tác động lên tàu do các dòng chảy đập vào mũi tàu có thể tính theo phơng trình(2.2.16)

Rf = 0,0014 SV 2 (2.2.16)trong đó :

Rf : áp lực dòng chảy (kN)

S : diện tích cản nớc (m3)

V vận tốc dòng chảy (m/s)

(2) áp lực dòng chảy do các dòng chảy đập vào cạnh tàu

áp lực dòng chảy do các dòng chảy đập vào cạnh tàu có thể tính theo phơng trình (2.2.17)

B: diện tích chiếu cạnh bên thân tàu dới đờng ngấn nớc (m3)

(3) áp lực dòng nớc do các dòng thuỷ triều về nguyên tắc có thể chia thành lực cản ma sát và lực cản

áp lực Ngời ta cho rằng lực cản dòng nớc đập vào mũi tàu chủ yếu là lực cản ma sát, còn lực cảndòng nớc đập vào cạnh bên thân tàu chủ yếu là lực cản áp lực Tuy nhiên, thực tế khó mà phânchia hai lực cản đó một cách chính xác đợc và nghiên cứu chúng riêng rẽ nhau Phơng trình(2.2.16) là một sự giản hoá phơng trình Froude dới đây với PW = 1,03 t = 15oC và λ = 0,14

( ) { 1 + 0,0043 15 - t } SV1,825

λ : hệ số ( λ = 0,14741 với tàu dài 30 m và λ = 0,13783 với tàu dài 250 m)

(4) Hệ số áp lực dòng chảy C trong phơng trình (2.2.17) thay đổi tuỳ theo phơng của dòng chảy liênquan θ; có thể sử dụng các giá trị lấy theo Hình T.2.2.9 cho các mục đích tham khảo.

(5) Về diện tích cản nớc S và diện tích chiếu cạnh bên ở dới đờng ngấn nớc B, có thể sử dụng cácgiá trị có đợc từ các phơng trình hồi quy 3) rút ra đợc từ phân tích thống kê

Hớng dòng chảy tơng quan θ (*)

Hình T.2.2.9 Hệ số áp lực dòng chảy C

[ 5 ] Đặc trng tải trọng – biến dang của hệ thống neo tàu

Khi tiến hành phân tích chuyển động của một tàu bị neo, các đặc trng tải trọng – biến dạng của hệ thống neo (dây neo, thanh chống va v.v ) phải đợc làm mô hình một cách thích đáng.

làm mô hình các đặc trng đó một cách thích đáng trớc khi tiến hành phân tích chuyển động của một tàu bịneo.

2.2.4 Lực kéo tác động lên một trụ neo hoặc bích neo (Điều 79 Thông báo)

(1) Phải lấy các giá trị ghi trong Bảng 2.2.1 làm các lực kéo của tàu tác động lên trụ neo hoặc bích neo.

(2) Trong trờng hợp một trụ neo, sẽ là chuẩn xác khi giả định rằng lực kéo quy định trong (1) tác động nằm ngang và đồng thời có một lực kéo bằng một nửa lực đó tác động hớng lên trên

(3) Trong trờng hợp một bích neo, sẽ là chuẩn xác khi giả định rằng lực kéo quy định trong (1) tác động lên tất cả mọi phơng.

Bảng 2.2.1 Lực kéo của tảu (Điều 79 Phụ lục 12 Thông báo)

Trọng tải bì GTcủa tàu (tấn) Lực kéo tác động lênmột trụ neo (kN) một bích neo (kN)Lực kéo tác động lên

(1) Trụ neo đợc đặt ở xa mép nớc, hoặc ở trên hoặc ở gần công trình neo đậu, gần hai đầu của một bến

để chúng có thể đợc sử dụng để neo tàu khi có bão Mặt khác, bích neo đợc đặt gần mép nớc của cáccông trình neo tầu để có thể sử dụng chúng để neo tàu, cập tàu hoặc cho tàu rời bến trong các điềukiện bình thờng

(2) Về cách bố trí và lên dây neo để neo tàu, xem Phần VIII, 2.1 Chiều dài và độ sâu của bến.

(3) Về cách bố trí và các kết cấu của trụ neo và bích neo, xem Phần VIII, 19.3 Trụ neo, Bích neo và vòng neo

[ Chú thích kỹ thuật ]

(1) Nên tính lực kéo tác động lên một trụ neo và bích neo dựa trên cờng độ đứt cuả dây neo mà tàu có

đ-ợc khi tới một bến, các điều kiện khí tợng và hải dơng học ở vị trí lắp đặt công trình neo tàu, và kích

th-ớc của tàu và nếu cần thiết, cũng xem xét cả lực do tàu cập bến áp lực gió lên tàu khi bị neo, và lực

do các chuyển động của tàu9)11) Ngoài ra, cũng có thể xác định lực kéo tác động lên một trụ neo vàmột bích neo theo (2) – (6) dới đây

(2) Trong trờng hợp, trọng tải bì của một tàu vợt quá 5000 T và không xẩy ra trờng hợp có quá một dâyneo đợc buộc vào một bích neo mà bích neo này đợc dùng cho các dây buộc tàu ở giữa các côngtrình neo tàu mà bến của tàu đã đợc ấn định, lực kéo tác động lên một bích neo có thể lấy bằng mộtnửa giá trị ghi trong Bảng 2.2.1

(3) Lực kéo do một tàu có trọng tải bì không quá 200 tấn hoặc lớn hơn 100.000 tấn (nghĩa là một tàukhông nằm trong Bảng 2.2.1) phải tính bằng cách xem xét các điều kiện khí tợng và hải dơng học, kết

cấu của công trình neo tàu, số liệu đo đạc trớc đây về lực kéo v.v Lực kéo lên công trình neo mà tàu

đợc neo cả khi thời tiết xấu hoặc công trình neo tàu đặt trong các vùng nớc có các điều kiện khí tợng

và hải dơng học khắc nghiệt cũng phải đợc tính toán có xem xét đến các điều kiện đó

(4) Lực kéo tác động lên một trụ neo đã đợc xác định dựa trên áp lực gió tác động lên tàu sao cho mộttàu chất tải nhẹ cũng có thể đợc neo an toàn ngay cả khi vận tốc gió là 25 – 30 m/s, với giả định làtrụ neo đợc đặt ở vị trí cách xa đờng mép nớc của bến một khoảng bằng chiều rộng của tàu và cácdây ở mũi tàu đợc kéo theo một phơng 45o so với trục dọc của tàu 17)18) Lực kéo có đợc nh vậy tơngứng với cờng độ đứt của một tới hai dây neo ở đây cờng độ đứt của một dây neo đợc xác định theoCác quy tắc của tàu thép của Nippon Kaiji Kyskai Với một tàu nhỏ có trọng tải bì tới 1.000 tấn, trụ

neo có thể chịu đợc lực kéo khi vận tốc gió lên tới 35m/s

Lực kéo tác động lên một bích neo đợc xác định dựa trên áp lực tác động lên một tàu sao cho ngay

định rằng dây neo ở mũi và đuôi tàu đợc kéo theo một phơng ít nhất là 25o so với trục tàu Lực kéo có

đợc khi đó tơng ứng với cờng độ đứt của một dây neo đối với một tàu có trọng tải bì lên tới 5.000 tấn,

và hai dây neo đợc xác định theo Quy tắc tàu thép do Nippon Kaiji Kyskai.“ ”

Lực kéo đối với một bích neo đợc sử dụng cho các dây buộc tàu và đợc đặt ở giữa một bến, tại đó vịtrí cập bến của tàu đã đợc ấn định, tơng ứng với cờng độ đứt của một dây neo, ở đây cờng độ đứt đợcxác định theo Quy tắc tàu thép của Nippon Kaiji Kyskai Tuy nhiên, cần biết rằng tuy có các quy“ ”

đinh liên quan đến các dây sợi tổng hợp trong Quy tắc tàu thép của Nippon Kaiji Kyskai đối với dây“ ”

nilon và dây vinylon loại B (cả hai đều là loại dây sợi tổng hợp), hệ số an toàn yêu cầu đ ợc lấy lớn docác nhân tố nh có ít số liệu trong việc sử dụng các loại dây đó trong quá khứ và sức bền chống màimòn thấp, và do đó đờng kính yêu cầu đối với cả hai loại dây đó và cờng độ đứt phải lớn Do đó, trongtrờng hợp các bến có các công trình neo tàu chỉ sử dụng dây nilon và dây vinylon loại B , không thể

áp dụng các quy định trong (2) trên đây trong việc tính toán lực kéo nói trên, ngoài áp lực gió, đã giả

định có dòng thuỷ triều bằng 2 kt theo phơng dọc và 0,6kt theo phơng ngang

(5) Khi xác định lực kéo từ một tàu nhỏ trọng tải bì không quá 200 tấn, nên xem xét đến loại tàu, vị trí cậptàu, kết cấu của công trình neo v.v Trong khi thiết kế các trụ neo và bích neo cho tàu có trọng tải bìkhông quá 200 tấn, sẽ là chuẩn xác khi lấy lực kéo tác động lên một trụ neo bằng 150 kN và lực kéotác động lên một bích neo là 50 kN

(6)Khi tính lực kéo trong trờng hợp các tàu nh phà, tàu container, hoặc tàu khách, phải thận trọng khi sửdụng Bảng T.2.2.1 vì diện tích nhận áp lực gió của các tàu đó lớn.

[Tµi liÖu tham kh¶o]

CH ƯƠ NG 3 Gió và áp lực gió

Khi thiết kế các công trình cảng và bến, phải xét đến các yếu tố khí tợng nh gió, áp lực không khí, sơng mù, ma, bề dày của tuyết và nhiệt độ không khí.

[ Chú giải ]

Các yếu tố khí tợng có ảnh hởng đến việc thiết kế các công trình cảng và bến là nh sau:

1 áp lực không khí và việc phân bổ áp lực đó là các yếu tố chi phối việc phát sinh ra gió và sóngbão

2 Gió là một yếu tố chi phối việc phát sinh ra sóng và sóng bão, nó tác động các ngoại lực lên côngtrình cảng và bến và các tàu neo tại đó dới dạng áp lực gió, và nó có thể làm gián đoạn các côngviệc ở cảng và bến, ví nh việc bốc xếp hàng hoá

3 Ma là một yếu tố xác định năng lực cần thiết của các công trình thoát nớc trong cảng và bến, và

ma cũng có thể làm gián đoạn công việc ở cảng và bến ví nh việc bốc xếp hàng

4 Sơng mù là một yếu tố ngăn trở việc chạy tàu khi chúng ra vào cảng, và cũng làm giảm hiệu suấtcủa các công trình cảng và bến

5 Trong vài trờng hợp, tải trọng tuyết đợc xem là một tải trọng tĩnh tác động lên các công trình cảng

và bến

6 Nhiệt độ không khí làm ảnh hởng tới việc phân bổ ứng suất bên trong các kết cấu của công trìnhcảng và bến và có thể dẫn đến sự xuất hiện ứng suất nhiệt trong các kết cấu đó

[ Chỉ dẫn kỹ thuật ]

(1)Trong các tính toán liên quan đến việc phát sinh ra sóng hoặc sóng bão do một cơn bão, thờng giả

định rằng việc phân bổ áp kực tuân theo phơng trình Fujita (3.1.1) hoặc phơng trình Myer (3.1.2); các

hằng số trong phơng trình đợc chọn sẽ đợc xác định dựa trên các đo đạc áp lực không khí thực tế trongkhu vực bão

( / )2

1 r ro

p p

=

r

r p p

trong đó:

p : áp lực không khí ở một khoảng cách r từ tâm bão (hPa)

r : khoảng cách tới tâm bão (km)

pc : áp lực không khí ở tâm bão (hPa)

ro : khỏang cách ớc tính từ tâm bão tới điểmvận tốc gió lớn nhất (km)

∆p : độ sụt áp suất không khí ở tâm bão (hPa) ∆p= p∞ - pC

p∞ : áp lực không khí ở r = ∞ (hPa) ; p∞ = pC + ∆P

Kích thớc của một cơn bão thay đổi theo thời gian, cho nên rO và ∆P phải xác định là hàm số của thời gian

(2)Về gió, xem 3.2 Gió

(3)Ma thờng đợc chia thành ma trong bão có sấm sét, nó có lợng ma lớn trong một thời gian ngắn và maliên tục trong một thời gian kéo dài (ma do một cơn bão là một ví dụ đại diện cho loại sau này) Khithiết kế công trình thoát nớc, cần xác định cờng độ ma đối với trờng hợp mà lợng dòng chảy tăng lênrất nhanh và cả trong trờng hợp dòng chảy liên tục cho một thời gian kéo dài Trờng hợp quy hoạchcống thoát nớc mà cờng độ ma trong một cơn bão sấm sét là vấn đề chính, sử dụng công thứcSherman hoặc công thức Talbot

t : thời gian ma (phút)

a,b,n : hằng số

(4) Về tải trọng tuyết tác động lên các công trình cảng và bến, xem 15.3.4 Tải trọng tuyết

Sẽ là chuẩn xác khi đa các đặc tính của gió vào việc tính sóng và xem các đặc điểm của gió là nguyên nhân của một ngoại lực tác động lên các công trình cảng và bến nh quy định dới đây :

(1) Khi tính vận tốc gió và hớng gió dùng trong việc ớc tính sóng và sóng bão, việc đo

đạc gió thực tế hoặc các giá trị tính toán đợc đối với gió gradien đều sử dụng đợc, với tất cả sự hiệu chỉnh cần thiết cần làm với các chiều cao đo đạc v.v

(2) Vận tốc của gió tác động lên công trình cảng và bến phải đợc xác lập dựa trên các

số liệu thống kê trong một thời kỳ thích hợp cùng với các đặc điểm của công trình và kết cấu.

−

=

ϕ ϖ

ρ ϕ

sin

/ 1

1 sin

c r

cr p r

Vg : vận tốccủa gió gradien (cm/s); trong trờng hợp một gió xoáy nghịch,

phơng trình (3.2.1) cho một giá trị âm, khi đó phải lấy giá trị tuyệt đối

∂p/ ∂r : gradien áp lực ( lấy là dơng với gió xoáy thuận, là âm với gió xoáy nghịch)

(g/cm2/s2)

r : bán kính cong của đờng đẳng áp (cm)

ϖ : vận tốc góc của sự quay của trái đất (S-1); w = 7,29 10 –5 /s

ϕ : vĩ độ (o)

ρa : tỉ trọng không khí (g/m3)

Trớc khi tính toán, các đơn vị đo lờng cần đổi thành đơn vị CGS liệt kê trên đây Cần biết 1o vĩ độ tơng ứngvới một khoảng cách khoảng 1,11 107 cm và một áp lực không khí 1,0 hPa bằng 103 g/cm/ s2

(b)Một gió gradien mà đờng thẳng áp là đờng thẳng (nghĩa là bán kính cong trong phơng trình (3.2.1)

là vô hạn) đợc gọi là gió geostrophic Trờng hợp này, vận tốc gió là V = (∂ p/ ∂r)/ (2ρa rwsin ϕ).

(2)Vận tốc gió thực tế ở mặt biển thờng thấp hơn giá trị có đợc từ phơng trình gió gradien Hơn nữa, tuyphơng của một cơn gió gradien về lý thuyết thì song song với các đờng đẳng áp, gió ở mặt biển thổivới một góc α nào đó so với đờng đẳng áp nh đã phác hoạ trong Hình T.3.2.2 ở Bắc bán cầu, gió

xung quanh một xoáy thuận thổi theo chiều ngợc kim đồng hồ và hớng vào trong, trong khi gió xungquanh một xoáy nghịch thổi theo chiều kim đồng hồ và hớng ra ngoài Đợc biết rằng mối quan hệgiữa vận tốc của gió gradien và vận tốc gió thực tế ở mặt biển thay đổi theo vĩ độ Mối quan hệ trongcác điều kiện trung bình đợc tổng hợp trong Bảng T.3.2.1 Tuy nhiên, đây chỉ có tính chất chỉ đạo

không hơn; khi ớc tính các gió mặt biển, cần có những hiệu chỉnh thích hợp bằng cách so sánh các ớctính với các đo đạc thực tế dọc bờ biển và các giá trị đã đợc các tàu ngoài biển báo cáo về (các giá trịnày đợc ghi trên các bản đồ thời tiết )

(3) Khi lựa chọn vận tốc tính toán của gió đói với gió tác động trực tiếp lên các công trình cảng và bến vàcác tàu neo đậu, ta phải ớc tính sự phân bổ cực trị của vận tốc gió dựa trên số liệu đo đạc thực tế làmtrong một thời gian dài (theo nguyên tắc ít nhất 30 năm) và sau đó dùng vận tốc gió tơng ứng với thờigian phản hồi cần thiết.

Sẽ là chuẩn xác khi lấy các thông số của gió là hớng gió và vận tốc với hớng gió đợc biểu thị bằng hệthống phơng vị mời sáu điểm và vận tốc là vận tốc gió trung bình trên 10 phút

Trong Thông báo quan sát kỹ thuật của cơ quan khí tợng số 34, vận tốc gió dự đoán với các thời gianquay trở lại là 5, 10, 20, 50, 100 và 200 năm đối với 141 cơ quan khí tợng ở các nớc đã đợc ớc tính từcác số liệu vận tốc gió trung bình trong 10 phút của khoảng 35 năm, với giả định là vận tốc gió tuântheo sự phân bổ số mũ kép Với các vị trí có các địa hình khác với địa hình của cơ quan khí tợng nóitrên gần nhất, phải tiến hành quan sát ít nhất một năm và sau đó tiến hành nghiên cứu so sánh về

ảnh hởng của địa hình để có thể sử dụng đợc các kết quả ớc tính nói trên

(4) Đối với vận tốc gió dùng để ớc tính sóng vá sóng bão, phải sử dụng giá trị ở độ cao 10m trên mặtbiển Vận tốc gió có đợc tại các cơ quan khí tợng của chính phủ là giá trị ở độ cao khoảng 10m trênmặt đất Do đó, khi dự định sử dụng các giá trị ớc tính đó để ớc tính gió mặt biển, trong trờng hợpchiều cao của các kết cấu khác xa 10m, cần hiệu chỉnh vận tốc gió tơng ứng với chiều cao Profilethẳng đứng của vận tốc gió thờng tuân theo định luật dạng luỹ thừa, do đó trong các tính toán thiết kếhiện nay đối với tất cả các loại kết cấu, thờng dùng một định luật dạng luỹ thừa:

n

o o h

h

h U

3.3 áp lực gió (Điều 3, Khoản 2 Thông báo)

áp lực gió phải đợc xác định một cách thoả đáng, có xem xét nghiêm túc tới loại kết cấu

Phơng trình (3.3.1) biểu thị áp lực gió, nghĩa là lực gió trên diện tích đơn vị chịu lực gió lực gió tổng cộng

do gió tác động lên một bộ phận kết cấu sẽ bằng áp lực gió cho bởi phơng trình (3.3.1) nhân với diện tích

của bộ phận kết cấu chịu ảnh hởng của gió trong mặt phẳng vuông góc với hớng mà gió tác động

áp lực vận tốc q đợc xác định bằng phơng trình (3.3.2)

q : áp lực vận tốc (N/m2)

ρa : tỉ trọng không khí (kg/m3) ρa = 1,23 kg/m3

U : vận tốc gió tính toán (m/s)

Vận tốc gió tính toán phải lấy bằng 1,2 đến 1,5 lần vận tóc gió tiêu chuẩn (vận tốc gió trung bình 10 phút

ở độ cao 10 m) Đó là do vận tốc gió cực đại tức thời là khoảng 1,2 ~ 1,5 lần vận tốc gió trung bình 10phút

Hệ số áp lực gió thay đổi tuỳ thuộc vào các điều kiện nh hình dạng của bộ phận hoặc của toàn kết cấu, ớng gió và số Reynolds trừ các trờng hợp mà nó đợc xác định bằng các thử nghiệm đờng ống gió, có thểxác định hệ số này theo Điều 87 của Nghị định bổ sung Pháp lệnh Tiêu chuẩn xây dựng (Pháp lệnh

h-số 338.1950) hoặc Tiêu chuẩn kết cấu cần cẩu (Thông báo của Bộ Lao động) Về h“ ” ớng gió, thông ờng phải xét hớng gió nào bất lợi nhất cho kết cấu , trừ trờng hợp đã xác định đợc có một hớng gió thịnhhành áp đảo

th-Các số liệu sóng 1) Số liệu đo đạc thực tế 2) Các giá trị tính toán

Phân tích thống kê 1) Sóng th ờng 2)Sóng bão

Tỷ lệ xuất hiện sóng n

Tỷ lệ xuất hiện sóngtại vị trí tính toán

Các thông số sóng tính toán1) Sóng có ý nghĩa

2) Sóng cao nhất

1) Độ yên tĩnh của bến2) Suất hoạt động thực tế,

số ngày làm việc3) Năng l ợng vận tải của sóng tới

4) Các vấn đề khác

1) Lực sóng tác động lên công trình

2) L ợng sóng tràn lên

t ờng bến và

kè bảo vệ4) Các vấn đề khác

Hình T-4.1.1 Quá trình xác định sóng để dùng trong thiết kế

CH ƯƠ NG 4 Sóng

4.1.1 Phơng pháp xác định sóng dùng trong thiết kế (Điều 4, Khoản 1

của Thông báo)

Sóng dùng trong việc nghiên cứu độ ổn định của các công trình bảo vệ cảng và

các công trình bến khác, cũng nh xem xét mức độ tĩnh lặng của luồng chạy tàu

và bể cảng phải đợc xác định bằng cách sử dụng các số liệu sóng có đợc từ đo

đạc sóng thực tế hoặc dự báo sóng tính toán Các đặc trng của sóng phải xác

định bằng cách tiến hành các thống kê cần thiết và phân tích các sự biến động

của sóng tuỳ theo địa hình đáy biển và các việc khác nữa Cần phải tiến hành

xác định dự báo sóng tính toán bằng một phơng pháp dựa trên một phơng trình

thích hợp để biểu thị quan hệ giữa vận tốc gió và phổ sóng hoặc các thông số

điều kiện của sóng để dùng trong thiết kế phải tiến

hành cẩn thận VIệc xác định các điều kiện sóng phải

tiến hành riêng rẽ đối với sóng th“ ờng (Nghĩa là”

sóng xẩy ra trong các điều kiện thông thờng: cần đến

chúng để đánh giá mức độ tĩnh lặng của bến hoặc

năng suất bốc xếp hàng) và sóng bão (nghĩa là“ ”

sóng xẩy ra trong điều kiện bão: cần đến chúng để

xác định lực sóng tác động lên kết cấu)

Sóng có đợc từ các số liệu thống kê dựa trên các đo

đạc thực tế hoặc dự báo sóng tính toán thờng là sóng

nớc sâu không bị ảnh hởng bởi địa hình đáy biển

Sóng nớc sâu lan truyền về phía bờ, và một khi sóng

tới độ sâu nớc bằng khoảng nửa chiều dài sóng,

chúng bắt đầu bị ảnh hởng của địa hình đáy biển và

biến dạng với kết quả là chiều cao sóng thay đổi

Sự biến dạng của sóng bao gồm khúc xạ, nhiễu

Trong phơng pháp nói trên để xác định các điều kiện

sóng dùng trong thiết kế, cần xem xét dầy đủ đến

tính chất không đều đặn của sóng và xử lý chúng với

tính chất ngẫu nhiên càng nhiều càng tốt

[ Chỉ dẫn kỹ thuật ]

Một trình tự mẫu để xác định các điều kiện sóng dùng

trong thiết kế đợc cho trong Hình T.4.1.1

4.1.2 Sóng dùng trong thiết kế

Sóng có ý nghĩa, sóng cao nhất, sóng nớc sâu, sóng nớc sâu tơng đơng và các sóng

khác là các sóng đợc dùng trong thiết kế các công trình bến và cảng.

[ Chú giải ]

Sóng dùng để thiết kế kết cấu thờng đợc gọi là Sóng có ỹ nghĩa Sóng có ý nghĩa là một sóng có tính “ ”

chất giả thuyết, nó là một chỉ số thống kê của một nhóm sóng không đều Sóng có ý nghĩa có kích thớc

[ Chỉ dẫn kỹ thuật ]

(1) Định nghĩa các thông số sóng

(a) Sóng có ý nghĩa (chiều cao sóng có ý nghĩa H1/3 và chu kỳ sóng có ý nghĩa T1/3)

Các sóng trong một nhóm sóng đợc sắp xếp lại theo thứ tự chiều cao của chúng và 1/3 các sóng caonhất đợc lựa chọn; sóng có ý nghĩa là sóng giả thuyết có chiều cao và chu kỳ là chiều cao và chu kỳtrung bình của các sóng đợc lựa chọn

(b) Sóng cao nhất (chiều cao sóng cao nhât Hmax và chu kỳ sóng cao nhất Tmax

Sóng cao nhất trong một nhóm sóng

(c) Sóng một phần mời cao nhất (H1/10, T1/10)

Sóng có chiều cao và chu kỳ bằng chiều cao và chu kỳ trung bình của các sóng một phần m ời caonhất trong một nhóm sóng

(d) Sóng trung bình (chiều cao sóng trung bình H , chu kỳ trung bình T ).

Sóng có chiều cao và chu kỳ bằng chiều cao và chu kỳ trung bình của tất cả các sóng trong nhómsóng

(e) Sóng nớc sâu (chiều cao sóng nớc sâu Ho và chu kỳ sóng nớc sâu To)

Sóng ở một vị trí mà chiều sâu nớc bằng ít nhất một nửa chiều dài sóng: các thông số sóng đợc biểuthị bằng các thông số của sóng có ý nghĩa ở vị trí đó

(f) Sóng nớc sâu tơng đơng (Ho’)

Chiều cao một sóng giả thuyết đã đợc hiệu chỉnh vì ảnh hởng của các thay đổi về địa hình hai chiều

nh khúc xạ và nhiễu xạ; nó đợc biểu thị bằng chiều cao của sóng có ý nghĩa

(2) Sóng lớn nhất

Sóng có ý nghĩa lớn nhất trong một loạt các số liệu sóng có ý nghĩa đã quan sát đ ợc trong một thời

kỳ nào đó (ví dụ một ngày, một tháng hoặc một năm) đợc gọi là sóng lớn nhất Để xác định rõ độ dàicủa thời kỳ quan sát, nên gọi sóng lớn nhất là sóng có ý nghĩa lớn nhất trong một ngày (hoặc mộttháng ,một năm vv ) Hơn nữa, khi ngời ta muốn nói rõ ngời ta nói tới sóng có ý nghĩa đối với sónglớn nhất xẩy ra trong thơì tiết giông bão, ta dùng thuật ngữ sóng đỉnh (xem “ ” 4.4 Xử lý thống kê các số liệu quan sát và tính toán sóng).Chiều cao sóng lớn nhất là giá trị cực đại của chiều cao

sóng có ý nghĩa trong một thời kỳ nào đó, nó khác với định nghĩa của chiều cao sóng cao nhất“ ”

(3) ý nghĩa của sóng nớc sâu tơng đơng

Chiều cao sóng tại một nơi nào đó ở hiện trờng đợc xác định bằng kết quả của các biến dạng dosóng vào chỗ cạn và vỡ ra, điều này phụ thuộc vào chiều sâu nớc ở nơi đó và các biến dạng do nhiễuxạ và khúc xạ, điều này phụ thuộc các điều kiện địa lý hai chiều ở nơi đó Tuy nhiên, trong các thínghiệm mô hình thuỷ lực về sự biến dạng hoặc vợt tràn của sóng trong máng hai chiều hoặc trongphân tích hai chiều theo lý thuyết biến dạng sóng thì không xét đến các sự thay đổi địa hình hai chiều.Khi áp dụng các kết quả của thí nghiệm mô hình hai chiều hoặc một tính toán lý thuyết cho hiện tr-ờng, cần kết hợp trớc các điều kiện đặc biệt của vị trí đang nghiên cứu, cụ thể là ảnh hởng của các sựthay đổi địa hình hai chiều (đặc biệt ảnh hởng của nhiễu xạ và khúc xạ) vào các sóng nớc sâu ở vị trí

đang nghiên cứu, từ đó điều chỉnh các sóng nớc sâu thành một dạng sao cho chúng tơng ứng vớichiều cao sóng khởi điểm nớc sâu dùng cho thí nghiệm hoặc tính toán lý thuyết Chiều cao sóng nớcsâu có đợc bằng cách hiệu chỉnh các ảnh hởng của nhiễu xạ và khúc xạ với các hệ số của chúng đợcgọi là chiều cao sóng n“ ớc sâu tơng đơng Chiều cao sóng n” ớc sâu tơng đơng ở vị trí sẽ tiến hànhthiết kế đợc xác định nh sau:

Trong đó :

K r : hệ số khúc xạ ở vị trí nghiên cứu (xem 4.5.2 Khúc xạ sóng)

Kd : hệ số nhiễu xạ ở vị trí nghiên cứu (xem 4.5.3 Nhiễu xạ sóng)

Các tính chất cơ bản của sóng đợc biểu thị thành hàm số của chiều cao sóng, chu kỳ và độ sâu nớc.Các đặc tính khác của sóng nớc nông có đợc bằng xấp xỉ bậc nhất của lý thuyết sóng biên độ nhỏ đ-

ợc liệt kê dới đây Chú ý rằng , về toạ độ, chiều dơng của trục x đợc lấy theo chiều sóng đi tới, cònchiều dơng của trục z là chiều thẳng đứng đi lên với z = 0 tơng ứng với cao độ nớc tĩnh Chiều sâu n-

ớc h giả định là không đổi và các đặc tính của sóng đợc giả định là đồng đều theo phơng ngang(chiều y)

(a) Độ dâng cao (chuyển dịch từ cao độ nớc tĩnh) (m)

H t

2 )

π

2 tanh 2

L

h gT

π

π π

2 tanh 2

2 tanh

x L L

h L

h z T

H w

t T

x L L

h L

h z T

H u

π

π π

π π

π

π π

π π

2 2

cos 2

sinh

) ( 2 cosh

2 2

sin 2

sinh

) ( 2 cosh

h z H

dw

t T

x L L

h L

h z T

H dt

du

π π

π π

π

π π

π π

2 2

sin

) ( 2 cosh 2

2 2

cos 2

sinh

) ( 2 cosh 2

2

2 2

(4.1.6)

H L

h z gH

) ( 2 cosh 2

trong đó :

ρo : dung trọng của nớc (1,01 ~1,05 103 kg/m3 đối với nớc biển)

(g) Năng lợng trung bình của sóng trên diện tích đơn vị của mặt nớc (J)

gH g E E

h n

π

π

4 sinh

4 1 2

1

(2) Các đặc trng của sóng nớc sâu và chiều dài sóng

(a) Sóng nớc sâu

Sóng trong nớc có chiều sâu lớn hơn một nửa chiều dài sóng (h/L >1/2) đợc gọi là sóng nớc sâu Các

đặc trng khác nhau của sóng nớc sâu có thể có đợc từ các phơng trình của lý thuyết sóng biên độnhỏ bằng cách đặt h/L →∞ Chiều dài sóng Lo , vận tốc sóng Co và vận tốc nhóm CG đối với sóngnớc sâu từ đó trở thành nh dời đây Chú ý rằng đơn vị của chu kỳ T là giây (s)

Cc = 0,78T (m/s)

= 2,81T (km/h)

Nh đã biểu thị trong phơng trình (4.1.12)chiều dài sóng, vận tốc sóng và vận tốc nhóm với sóng

nớc sâu chỉ phụ thuộc vào chu kỳ và không phụ thuộc vào chiều sâu nớc

(b) Chiều dài sóng của sóng dài

Các sóng mà chiều dài sóng cực kỳ dài so với chiều sâu nớc (h/L < 1/25) đợc gọi là sóng dài Các

đặc tính khác của sóng dài có thể có đợc từ các phơng trình của lý thuyết sóng biên độ nhỏ bằngcách lấy h/L cực nhỏ Chiều dài sóng, vận tốc sóng và vận tốc nhóm đối với sóng dài do đó trở thành

nh sau:

) / (

) (

s m gH C

C

m gH T

(3) Xem xét ảnh hởng của biên độ hữu hạn

Các phơng trình cho trọng (1) không phải luôn chính xác đối với các sóng nớc nông và do đó đôi lúccần sử dụng các phơng trình đối với sóng biên độ hữu hạn Khi tiến hành tính toán theo các phơngtrình sóng biên độ hữu hạn, ta phải tham khảo Sổ tay công thức thuỷ lực do Hội các kỹ s“ ” xây dựngNhật Bản phát hành Số lợng các sai số trong tính toán nảy sinh từ việc sử dụng lý thuyết sóng biên

độ nhỏ thay đổi tuỳ theo độ dốc của sóng H/L và tỷ lệ của chiều sâu nớc đối với chiều dài sóng h/L.Tuy nhiên, sai số trong các thông số của sóng thờng không quá 20 ~ 30% trừ vận tốc nằm ngangcủa hạt nớc u

Một trong các ảnh hởng của biên độ hữu hạn của sóng xuất hiện ở cao độ đỉnh ηc so với chiều caosóng, tỉ số này tăng khi chiều cao sóng tăng Định nghĩa của chiều cao đỉnh ηc đợc cho ở trên cùng

Hình T.4.1.2 Hình này đợc vẽ dựa trên các ghi chép mặt cắt ngang sóng ở hiện trờng Nó cho thấy tỉ

lệ của chiều cao đỉnh sóng cao nhất có đợc từ mỗi ghi chép quan sát so với chiều cao sóng cao nhất

Hmax trong ghi chép đó nh một hàm số của chiều cao sóng tơng đối H1/3 /h

(4) Các loại lý thuyết sóng biên độ hữu hạn

Lý thuyết sóng biên độ hữu hạn bao gồm lý thuyết sóng Stokes, lý thuyết sóng cnoidal và các lýthuyết khác Trong lý thuyết thứ nhất, độ dốc sóng đợc giả định tơng đối thấp ,và hình dạng củasóng đợc biểu thị bằng một chuỗi các hàm lợng giác Một số các nhà nghiên cứu đã kiến nghị một

số lời giải chuỗi gần đúng Tuy nhiên trong lý thuyết này độ hội tụ của các chuỗi trở thành cựcchậm khi tỷ lệ chiều sâu nớc so với chiều dài sóng giảm

Điều đó có nghĩa lý thuyết không thể áp dụng khi tỷ lệ chiều sâu nớc so với chiều dài sóng quánhỏ Mặt khác, lý thuyết sóng cnoidal có đợc là từ phơng pháp giãn nở nhiễu loạn với tỷ lệ chiềusâu nớc so với chiều dài sóng đợc giả định là cực kỳ nhỏ, điều đó có nghĩa nó có giá trị khi tỷ lệchiều sâu nớc so với chiều dài sóng nhỏ Tuy nhiên, sai số lại lớn lên khi tỷ lệ chiều sâu nớc sovới chiều dài sóng tăng lên Ngoài hai lý thuyêt đó, còn lý thuyết sóng hypecbolic, trong đó mộtsóng cnoidal đợc xem gần đúng là một sự khai triển các hàm hypecbolic và lý thuyết sóng đơn

độc, nó là trờng hợp tiệm cận của lý thuyết sóng cnoidal khi chiều dài sóng tiến tới vô cùng Trừ lýthuyết sóng đơn độc, các phơng trình trong tất cả các lý thuyết sóng biên độ hữu hạn đều phứctạp có nghĩa là tính toán không dễ Đặc biệt, với lý thuyết sóng cnoidal, các phơng trình có tíchphân elip, làm cho việc sử dụng chúng rất bất tiện Nếu phơng pháp chuỗi Dean đợc chấp nhậnprofile sóng và vận tốc hạt nớc có thể xác định đợc với độ chính xác cao ngay tại điểm mà sóngvỡ

Số điểm dữ liệu

Hình T-4.1.2 Quan hệ giữa chiều cao cực

đại của đỉnh sóng (ηc)max /Hmax

và chiều cao sóng tơng đối H1/3/h

(5) áp dụng lý thuyết sóng biên độ hữu hạn vào thiết kế kết cấu.

Các lý thuyết phi tuyến, trong đó bao gồm cả các lý thuyết sóng biên độ hữu hạn, đợc áp dụng chohàng loạt các công trình xây dựng bờ biển Tuy nhiên vẫn còn một số lớn các điều cha biết, và do đó,trong trờng hợp thiết kế hiên nay, chúng chỉ đợc áp dụng cho một số lợng hạn chế lĩnh vực nh sẽthảo luận dới đây

(a) Vận tốc nằm ngang cực đại của hạt nớc Umax ở mỗi độ cao bên dới đỉnh sóng Thông tin này cực

kỳ quan trọng trong việc đánh giá lực sóng lên một bộ phận kết cấu thẳng đứng Các phơng trình

từ lý thuyết sóng Stokes đợc sử dụng khi tỷ lệ chiều sâu nớc với chiều dài sóng lớn, và các

ph-ơng trình từ lý thuyết sóng đơn độc đợc sử dụng khi tỷ lệ giữa chiều sâu nớc và chiêù dài sóngnhỏ Một tính toán gần đúng có thể thực hiện đợc bằng cách sử dụng phơng trình kinh nghiệmsau đây:

L h z h

h z h

H T

H z u

/ ) 2 ( sinh

/ )) ( 2 ( cosh 1

) (

3 2

/ 1

π α

trong đó hệ số α đợc cho trong Bảng T.4.1.2

Bảng T.4.1.2 Hệ số α để tính vận tốc nằm ngang cực đại của hạt nớc

0,030,050,070,100,14

1,51,501,431,250,97

0,20.30.50.7

0.680.490.250.27

(b) Sóng vào cạn

Sóng vào cạn xẩy ra khi chiều sâu nớc giảm, có thể tính đợc bằng cách sử dụng một lý thuyết sóngdài bao gồm các số hạng phi tuyến Một cách khác, có thể áp dụng lý thuyết song cnoidal hoặc lýthuyết sóng Hypecbolic cho hiện tợng này (xem 4.5.5 Sóng vào cạn)

(c) Sự dâng lên và hạ xuống của mực nớc trung bình

Mực nớc trung bình hạ xuống dần dần khi sóng tiến vào điểm bị phá vỡ và sau đó dâng lên bên trongvùng vỡ cho tới bờ, có thể tính đợc từ lý thuyết giao thoa phi tuyến giữa các sóng và dòng chảy Phảixét đến sự thay đổi mức nớc trung bình này để tính toán sự thay đổi chiều cao sóng do sóng bị phá

vỡ ngẫu nhiên (xem 4.5.6 Sóng vỡ)

(d) Khoảng lọt khí của các cấu kết ngoài khơi

Khi xác định các khoảng lọt khí của các cấu kết ngoài khơi bên trên mực nớc tĩnh, nên xét đến độtăng tơng đối trong các chiều cao đỉnh sóng do ảnh hởng của biên độ hữu hạn nh đã trình bày trong

Hình T.4.1.2

[ 2 ] Các tính chất thống kê của sóng

Trong thiết kế công trình cảng và bến, cần xem xét các tính chất thống kê của sóng liên quan đén chiều cao và chu kỳ sóng và nên sử dụng sự phân bố Rayleigh đối với chiều cao sóng của một nhóm sóng nớc sâu không đều.

[ Chú giải ]

Giả thuyết đằng sau phân bố Rayleigh là một tiền đề rằng năng lợng sóng đợc tập trung trong một dải cực

kỳ hẹp xung quanh một tần số nào đó Do đó các vấn đề còn tồn tại khi áp dụng chúng vào các sóng đại dơng có dải tần số rộng Tuy nhiên, đã chỉ ra rằng chừng nào mà các sóng còn đợc xác định bằng phơng pháp qua 0, có thể vẫn áp dụng đợc phân bố Rayleigh cho các sóng đại dơng nh một giải pháp gần đúng

có thể chấp nhận đợc

[ Chỉ dẫn kỹ thuật ]

(1) Biểu thức của phân bố Rayleigh

Phân bố Rayleigh đợc cho bởi phơng trình sau:

) /

(

H

H H

H H

H : chiều cao sóng trung bình (m)

Theo phân bố Rayleigh, chiều cao sóng một phần mời cao nhất H1/10 , chiều cao sóng có ý nghĩa

H1/3, và chiều cao sóng trung bình H có liên quan giữa chúng với nhau theo các phơng trình sau :

H1/10 =1,27 H1/3

H1/3 =1,60 H (4.1.16)

Trung bình, các quan hệ này thoả mãn tốt với các kết quả quan sát sóng tại chỗ

Chiều cao sóng cao nhất Hmax khó xác định chính xác nh sẽ đợc thảo luận trong (2) dới đây, nhng nóichung nó có thể đợc quyết định nh trong quan hệ sau:

Hmax = (1,6 ~ 2,0) H1/3 (4.1.17) Các chu kỳ liên quan với nhau nh sau:

Tmax = T1/3 = (1,1 ~ 1,3) T (4.1.18)Tuy nhiên cần nhớ rằng khi sóng tiến gần đến bờ, các sóng có chiều cao lớn hơn giới hạn vỡ bắt đầu

bị vỡ và chiều cao của chúng giảm xuống do đó không thể dùng phân bố Rayleigh cho các chiều caosóng trong khu vực vỡ

(2) Xác suất xuất hiện của chiều cao sóng lớn nhất

Chiều cao sóng cao nhất Hmax là một lợng thống kê không thể xác định chính xác; chỉ có thể cho xácsuất xuất hiện của nó Nếu chiều cao sóng đợc giả định tuân theo phân bố Rayleigh, khi đó giá trịmong đợi H max của Hmax, khi tập hợp đợc một số lợng lớn các mẫu mỗi mẫu gồm có N sóng, đợc cho

nh sau :

3 / 1 max

ln 2

5722 , 0 ln 706 ,

N N

với một mức độ quan trọng à đã cho đợc xác định bởi phơng trình sau:

1 ln[

ln 706

, 0 )

Bảng T.4.1.4 liệt kê các giá trị có đợc từ phơng trình này Vì Hmax không phải là một giá trị xác định

mà là một biến số theo xác suất, giá trị của Hmax/ H1/3 thay đổi lớn với N và à Tuy nhiên, xét đến vấn

đề là chiều cao sóng chỉ gần đúng theo phân bố Rayleigh và công thức áp lực sóng đ ợc tìm thấytrong khi có một mức độ phân tán nhất định của các dữ liệu nên có thể sử dụng Hmax = (1,6 ~ 2,0 )

H1/3 và bỏ qua các giá trị rất nhỏ hoặc rất lớn trong bảng

Bảng T.4.1.4 Quan hệ giữa chiều cao sóng cao nhất Hmax và

chiều cao sóng có ý nghĩa H1/3

Số lợng sóng

N

Phơng thức(Hmax) phơng thức

Mức quan trọng50%

(Hmax) 0,5

Trung bình(H max)

Mức quan trọng10%

(Hmax)0,1

Mức quan trọng5%(Hmax)0,05

Trong thiết kế công trình cảng và bến, phải xem xét nghiêm túc tới dạng hàm số của phổ sóng và sử dụng một biểu thức thích hợp

[ Chỉ dẫn kỹ thuật ]

(1) Dạng chung của phổ sóng

Dạng chung của phổ sóng thờng đợc biểu thị bằng phơng trình sau đây

S(f,θ) = S(f) G (f,θ) (4.1.22)trong đó:

ợc gọi là hàm lan truyền theo h“ ớng”

Hàm số biểu thị trong các phơng trình sau đây có thể sử dụng cho S(f) và G(f,θ) Phổ tần số củaphơng trình (4.1.23) đợc gọi là phổ Bretschneider Mitsuyasu, còn phơng trình (4.1.24) đợc gọi là hàm

lan truyền loại Mitsuyasu:

S(f) = 0,257 H 2 1/3 T -4 1/3 ƒ- -5 exp [-1.03(T1/3f) -4] (4.1.23) G(f,θ) = Go cos2sθ/2 (4.1.24)trong đó:

Go : là một hằng số tỷ lệ thoả mãn điều kiên chuẩn hoá sau đây:

min

1 ) , (

θ

trong đó:θmax và θmin là các góc lệch tối đa và tối thiểu so với phơng chính

Số hạng S trong phơng trinh (4.1.24) là một thông số biểu thị mức độ lan truyền theo phơng của

năng lợng sóng Nó đợc cho bởi công thức sau:

m m

f f f

f S

S

f f f

f S

max

(4.1.26)

Trong đó fm là tần số tại đó đỉnh phổ xuất hiện Nó có thể đợc biểu thị bằng các số hạng của chu

kỳ sóng có ý nghĩa T1/3 nh trong phơng trình sau:

fm = 1/ (1,05 T1/3)

(4.1.27)

Nếu các đơn vị của H1/3 vàT1/3 là mét và giây, đơn vị của S(f,θ) là m2s

(2) Giá trị của thông số lan truyền theo hớng

Phải lấy một giá trị bằng 10 cho giá trị cực đại Smax của thông số lan truyền theo hớng trong trờng hợpsóng do gió ở nớc sâu Trong trờng hợp nớc dâng ,xét đến quá trình phân rã của sóng và các vấn đềkhác, nên lấy một giá trị bằng 20 hoặc hơn là thích hợp Hình T.4.1.4 cho một đồ thị các giá trị gần

đúng của Smax tuỳ theo độ dốc của sóng Xét đoán qua giá trị của độ dốc sóng, có thể thấy rằng Smax

<20 đối với sóng do gió Đồ thị này có thể sử dụng để xác định giá trị gần đúng của Smax Goda vàSuzuki kiến nghị sử dụng các giá trị chuẩn Smax = 10 đối với sóng do gió, Smax = 25 đối với mặt nớcdâng trong khi bắt đầu phân rã, và Smax = 75 đối với mặt nớc dâng có khoảng cách phân rã dài.(3)Thay đổi của Smax do khúc xạ

Dạng của hàm số lan truyền theo hớng thay đổi khi sóng trải qua quá trình khúc xạ Khi tiến hànhtính toán nhiễu xạ trên sóng không đều, bằng cách sử dụng các sóng đã bị khúc xạ, khi đó điều rấtquan trọng là xem xét các sự thay đổi đó trong hàm số lan truyền theo hớng Hình T.4.1.5 cho các

giá trị của Smax sau khi các sóng đã bị khúc xạ tại một bờ biển có các đờng đồng mức sâu thẳng vàsong song Trong hình, (αp)o là góc tới của hớng sóng chính ở ranh giới nớc sâu, nghĩa là góc giữa h-ớng sóng chính và đờng vuông góc với đờng đồng mức

(4) Mô hình cải tiến cho phổ tần số

Nếu các sóng đợc tạo ra trong một máng thí nghiệm bằng cách sử dụng phổ Bretschneider –

Mitsuyasu đợc biểu thị bằng phơng trình (4.1.23), chu kỳ của sóng có ý nghĩa của các sóng đợc tạo

ra thờng lệch với chu kỳ của sóng có ý nghĩa mục tiêu Lý do có độ lệch nh vậy là phơng trình gốc(4.1.23) đợc cho theo các số hạng của tần số đỉnh ƒm nhng đợc thay bằng chu kỳ sóng có ý nghĩa T1/3

bằng việc sử dụng phơng trình (4.1.27) Do đó Goda đã kiến nghị dạng phổ tiêu chuẩn sau đây, với

HìnhT.4.1.4 Đồ thị cho các giá trị ớc tính của Smax

tuỳ theo độ dốc sóng

HìnhT.4.1.5 Đồ thị cho sự thay đổi của Smax do

khúc xạ