Nghiên cứu va chạm giữa tàu và cầu phao vượt biển phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải

Với các dạng cầu phao, còn được biết đến như một dạng kết cấu di động, lực đẩy nổi của nước tác dụng lên các phao nổi của cầu phao được sử dụng như mố trụ cầu để đỡ kết cấu cầu thay vì sử dụng các loại cọc và trụ cầu truyền thống. Vì nằm trên các vùng nước có hành hải, trong quá trình khai thác, loại cầu này rất dễ đối mặt với các tai nạn do va chạm với các phương tiện nổi.

NGHIÊN CỨU VA CHẠM GIỮA TÀU VÀ CẦU PHAO VƯỢT BIỂN PHỤC VỤ BẢO ĐẢM AN TOÀN HÀNG HẢI A STUDY OF VESSEL-FLOATING BRIDGE COLLISION FOR MARITIME SAFETY LÊ QUỐC TIẾN Đại học Hàng hải Việt Nam TRẦN ĐỨC PHÚ; TRẦN KHÁNH TỒN Khoa Cơng trình, Trường ĐHHH Việt Nam Tóm tắt Với dạng cầu phao, biết đến dạng kết cấu di động, lực đẩy nước tác dụng lên phao cầu phao sử dụng mố trụ cầu để đỡ kết cấu cầu thay sử dụng loại cọc trụ cầu truyền thống Vì nằm vùng nước có hành hải, q trình khai thác, loại cầu dễ đối mặt với tai nạn va chạm với phương tiện Chính thế, để đảm bảo an tồn, nghiên cứu va chạm cầu phương tiện cần phải xét đến thiết kế loại cầu phao Trong hầu hết nghiên cứu trước va chạm cầu phương tiện nổi, tương tác chất lỏng cơng trình bị bỏ qua Trong nghiên cứu này, hệ neo, hai phao nổi, kết cấu thân cầu dạng tối giản, tàu 30.000 DWT môi trường xung quanh mô cách sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Tương tác chất lỏng cơng trình (FSI) tính đến thơng qua việc áp dụng tùy biến Ơ le – Lagrăng (ALE) Kết nghiên cứu cho thấy hiệu việc áp dụng FSItrong va chạm tàu – cầu phao quay khuyến nghị việc áp dụng tương tác nghiên cứu va chạm tàu Từ khóa: Va chạm tàu, cầu phao nổi, tương tác chất lỏng – cơng trình, an tồn hàng hải Abstract In floating bridges, known as movable constructions, the buoyancy force of the water acting on the pontoons of the floating bridge support the loads on the bridge instead of using conventional piers and foundations Because of locating on navigable waters, during their operation, this type of bridge will be able to face vessel collision accidents Therefore, the study of vessel-bridge collision needs to be considered in the design of floating bridges In most of the previous studies of vessel collision with bridge, fluidstructure interaction was neglected In this study, the mooring system, two pontoons, the simplified superstructure of a floating bridge, a 30.000 deadweight tonnage vessel and the surrounding environments were modeled using finite elements The fluid – structure interaction (FSI) is considered by applying Arbitrary Lagrangian Eulerian method (ALE) The results of the study show the effects of FSIduring a vessel–floating swing bridge collision and should be considered in a collision analysis Key words: Ship collision, floating bridge, fluid – structure interaction, maritime safety Giới thiệu chung Sự phát triển kinh tế khoa học kĩ thuật dẫn tới nâng cao trình độ kĩ thuật xây dựng cầu Trong thời gian dài trước đây, người thường quen với việc cầu xây cố định cách sử dụng cọc móng trụ cầu Tuy nhiên, số trường hợp đặc biệt vùng nước sâu tuyến kênh biển mà cho phép tàu có trọng tải lớn hành hải số trường hợp đặc biệt, nhu cầu việc sử dụng cầu phao có khả di động trở nên cần thiết Tiêu biểu kể đến cầu phao quay (floating swing bridge)Yumeshima– Maishima, xây dựng Osaka, Nhật Bản [1] Ngồi có nhiều loại cầu phao xây dựng Mỹ, Na Uy, Canada Do nằm tuyến vận tải thủy, cầu phao thường phải đối mặt với khả lớn xảy rủi ro va chạm với phương tiện thủy so với loại cầu truyền thống Do đó, thiết kế cầu phao, khả xảy va chạm với phương tiện thủy cần phải xét đến mức độ cao so với loại cầu truyền thống.Theo thống kê, từ năm 1960 đến 2007, có 34 vụ sập cầu 346 nạn nhân gây va chạm với phương tiện toàn giới Do đó, cần thiết phải tính đến khả xảy va chạm phương tiện cầu từ đề xuất giải pháp bảo vệ cầu Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 47 – 08/2016 42 Khởi đầu từ nghiên cứu thực nghiệm Minorsky thực dựa kết thực nghiệm 26 vụ va chạm phương tiện vào năm 1958 [2], nhiều nghiên cứu va chạm tàu thực Có ba phương pháp sử dụng để nghiên cứu va chạm phương tiện phương pháp thực nghiệm, phương pháp mơ số phương pháp phân tích giản lược Phương pháp số phương pháp giản lược thường xem xét phương pháp thực nghiệm tốn không khả thi Trong nghiên cứu này, để đánh giá thiệt hại vụ va chạm phương tiện thủy cầu phao, mơ hình phần tử hữu hạn vụ va chạm phát triển để xác định phản hồi kết cấu tương tác chất lỏng cơng trình Cầu mô đặt phao thép rỗng giữ ổn định hệ neo gồm cáp neo Dựa thiết kế kênh chạy tàu, tàu có trọng tải 30.000 DWT đề xuất sử dụng cho mô va chạm này.Tương tác môi trường xung quanh gồm có nước khơng khí dựa sở áp dụng phương pháp tùy biến Lagrăng – Ơ le (ALE) Theo đó, tương tác chất lỏng – cơng trình (FSI), phương pháp ALE sử dụng cho lưới phần tử chất lỏng gần công trình để tránh lỗi biến dạng mắt lưới cho vùng chất lỏng từ cho phép tính tốn trì liên tục Tương tác chất lỏng – cơng trình Theo Souli [3] Donea [4], tảng tùy biến Lagrăng – Ơ le quan hệ đạo hàm vật liệu theo tọa độ tham chiếu, f t  X f t  χ f f c  t t  c f (1) χ với f khối lượng vật lý phần tử X ,  tọa độ tham chiếu, vận tốc tương đối vật liệu hệ tham chiếu c  v  vˆ  x x  w , v vận tốc vật liệu, vận tốc vˆ    , w  x  X Mơ hình va chạm cầu phương tiện thủy Dựa vào tính tốn tải trọng tác động lên cầu, kích thước phao đề xuất 60m × 60m × 8m Chi tiết kích thước cầu đưa bảng Bảng Kích thước cầu Loại cầu Chiều dài cầu Nhịp Tĩnh khơng Tổng trọng tải tính tốn (đơn vị: tấn) Cầu phao quay 382 m 51 + 280 + 51 m DL + 26 m 24.541,786 Vật liệu thiết kế cầu tàu mô tả bảng hình Bảng Vật liệu thiết kế cầu tàu Kết cấu Cầu (SS440) Tàu Khối lượng (kg/m3) 7.850 7.850 a) Cầu Mơđun đàn hồi (Pa) 2.0 × 1011 2.10 × 1011 b) Tàu Hình Giản đồ ứng suất – biến dạng vật liệu thiết kế cầu tàu Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Hệ số Poisson 0,3 0,3 Số 47 – 08/2016 Hình Mơ hình va chạm tàu cầu phao 43 Phần mềm LS-DYNA lựa chọn để mô va chạm tàu cầu Trong hình 2, mơ hình phần tử hữu hạn va chạm tàu cầu phao thể Mơ hình phần tử hữu hạn tàu cầu phao mô phần mềm LS-DYNA theo tỉ lệ 1:1 cầu phao gồm có hệ thống neo, hai phao dạng giản lược kết cấu phía cầu Trong nghiên cứu này, tàu đâm thẳng trực diện vào phao theo hướng vng góc với hướng cầu Theo hướng dẫn điều khiển phương tiện thủy đăng kiểm Mỹ [5], hành hải luồng tốc độ thấp tàu thường khó giữ hướng khả quay trở bị hạn chế Vì vậy, vận tốc tàu va chạm lựa chọn tốc độ chậm nằm khoảng 5-8 hải lý theo tiêu chuẩn PIANC [6] Vỏ tàu phao mô sử dụng phần tử dạng (shell element) với phần đầu tàu phao chia nhỏ chi tiết phần tàu khơng bị biến dạng nhiều sau va chạm nên sử dụng phần tử có kích thước lớn Kết cấu thân cầu mô dạng tối giản cách sử dụng phần tử dạng dầm (beam element) Hệ thống neo sử dụng phần tử dạng cáp (discrete cable element) Ngồi ra, mơ hình, mơi trường gồm có nước khơng khí mô tuân thủ theo tùy biến Lagrăng – Ơ le (ALE) dựa thuộc tính thơng thường chất lỏng Nước có khối lượng riêng 1025 kg/m 3, mô cách sử dụng vật liệu cho phép xét đến phương trình trạng thái mà khơng tính đến tenxơ lệch ứng suất Khơng khí mơ vật liệu giả mang tính hình thức (dummy material) mơ hình đa vật liệu Ơ le/ ALE Hình giới thiệu tương tác chất lỏng với công trình trình phao chuyển động Trong nghiên cứu này, lực gây sóng, gió, dòng chảy khơng mơ mơ hình mà dùng để tính tốn kết cấu cầu hệ neo Hình Tương tác chất lỏng-cơng trình trình phao chuyển động Kết 4.1 Kiểm chứng Theo tiêu chuẩn AASHTO[7], lực va tàu với cơng trình cố định có dạng hình xác định theo công thức: V  P(t )  0.88( DWT )1/2    50%  16  (2) Trong P (t ) có đơn vị meganewtons (MN), V vận tốc tính theo hải lý.Theo AASHTO, công thức (12) tổng hợp từ kết nghiên cứu thực nghiệm va chạm tàu Giá trị lực va cho phép AASHTO đề xuất nằm khoảng từ cận đến cận phương trình (12) Trong hình 4, kết mơ tính đến FSI tn thủ theo dạng biểu đồ va chạm đề xuất đồng thời giá trị lực va nằm giới hạn tính toán đưa tiêu chuẩn AASHTO Impact force Pmax Lực va tàu mô P(t) P(t )  50% Time Hình Kịch đề xuất xác định lực va chạm phương tiện Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Hình So sánh kết tính tốn lực va tàu mơ hình mơ tính tốn Số 47 – 08/2016 44 4.2 Một số kết tính tốn Hình Thiệt hại sau va chạm tàu phao Hình Biều đồ lượng hệ thống Sau va chạm, thiệt hại tàu phao thể hình Trong suốt trình xảy va chạm, tổng lượng hệ thống trình gần khơng đổi qua đó, mơ hình thỏa mãn định luật bảo tồn lượng (Hình 7) Dưới tác dụng FSI, vận tốc tàu phao có khác biệt rõ rệt, dễ dàng nhận tác động chất lỏng làm giảm vận tốc tàu nhanh đáng kể so với FSI (Hình 8) a) Tính đến FSI Hình Biểu đồ vận tốc theo thời gian b) Bỏ qua FSI Hình Lực va chạm tàu vào phao Hình đưa biểu đồ lực va tàu vào phao ứng với hai trường hợp có tính đến FSI bỏ qua FSI, dễ dàng nhận ra, khác hai trường hợp Kết tính tốn lực va có xét đến ảnh hưởng FSI khơng nằm vùng tính tốn đề xuất AASTO mà đường biểu diễn lực va theo thời gian tuân thủ theo dạng đề xuất tiêu chuẩn Trong lực va khơng xét đến FSI cho kết nhỏ nằm phạm vi đề xuất AASHTO khuyến nghị Kết luận Nghiên cứu xây dựng mơ hình phân tích va chạm cầu phao tàu 30.000 DWT Bằng cách áp dụng tùy biến Lagrăng – Ơ le, môi trường xung quanh đưa vào xem xét toán va chạm Kết nghiên cứu cho thấy tương thích kết mơ khuyến nghị tiêu chuẩn AASHTO Dựa kết nghiên cứu này, ảnh hưởng tương tác chất lỏng – cơng trình nên xem xét phân tích va chạm tàu Thành cơng việc áp dụng tùy biến Lagrăng – Ơ le vào phân tích va chạm tàu sở cho phân tích va chạm tàu có tính đến tải trọng mơi trường sóng, gió, dòng chảy sóng thần TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Eiichi, W., et al., Design and construction of a floating swing bridge in Osaka Marine Structures, 2000 Vol 13: p 437-458 [2] Minorsky, V.U., An Analysis of Ship Collisions with Reference to Protection of Nuclear Power Plants, in Other Information: Orig Receipt Date: 31-DEC-59 1958 p Medium: X; Size: Pages: 10 [3] Souli, M., Fluid–Structure Interaction, in Arbitrary Lagrangian-Eulerian and Fluid–Structure Interaction 2013, John Wiley & Sons, Inc p 51-108 [4] Donea, J., et al., Arbitrary Lagrangian–Eulerian Methods, in Encyclopedia of Computational Mechanics 2004, John Wiley & Sons, Ltd [5] ABS, Guide For Vessel Maneuverability, in ABS 0145 2006, American Bureau of Shipping [6] IALA and IMPA, Approach Channels: A Guide for Design 1997: PIANC General Secretariat Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 47 – 08/2016 45 ... đầu từ nghiên cứu thực nghiệm Minorsky thực dựa kết thực nghiệm 26 vụ va chạm phương tiện vào năm 1958 [2], nhiều nghiên cứu va chạm tàu thực Có ba phương pháp sử dụng để nghiên cứu va chạm phương... mô va chạm tàu cầu Trong hình 2, mơ hình phần tử hữu hạn va chạm tàu cầu phao thể Mơ hình phần tử hữu hạn tàu cầu phao mô phần mềm LS-DYNA theo tỉ lệ 1:1 cầu phao gồm có hệ thống neo, hai phao. .. Kết luận Nghiên cứu xây dựng mơ hình phân tích va chạm cầu phao tàu 30.000 DWT Bằng cách áp dụng tùy biến Lagrăng – Ơ le, môi trường xung quanh đưa vào xem xét toán va chạm Kết nghiên cứu cho