Tính toán tải trọng sóng tác động lên công trình ngoài khơi sử dụng mô hình sóng của trosman luận văn ths cơ học 60 44 21

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Thị Việt Anh Tính tốn tải trọng sóng tác động lên cơng trình ngồi khơi sử dụng mơ hình sóng Trosman LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2006 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ Lê Thị Việt Anh Tính tốn tải trọng sóng tác động lên cơng trình ngồi khơi sử dụng mơ hình sóng Trosman LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Đào Như Mai Hà Nội - 2006 Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học MỤC LỤC Mục lục i Danh mục thuật ngữ iii Danh mục bảng iv Danh mục hình vẽ, đồ thị v Mở đầu Chương Tổng quan mơ hình sóng chương trình tính tốn tải trọng sóng có 1.1 Tổng quan mơ hình sóng 1.2 Các chương trình tính tốn tải trọng sóng có 15 Chương Mơ hình sóng Trosman động học hạt nước 18 2.1 Lý thuyết sóng ngẫu nhiên tuyến tính 18 2.1 Mô hình Sóng Trosman 20 2.3 Động học hạt nước theo lý thuyết sóng 24 Chương Xây dựng chương trình tính tốn động học hạt nước tải trọng tác động lên cơng trình 27 3.1 Tải trọng theo Morison cho phần tử tương đối nhỏ 27 3.2 Quy trình tính tốn tải trọng sóng 31 3.3 Thiết lập mơ đun tính tốn động học hạt nước ghép nối vào chương trình tính tải trọng 32 Chương Ví dụ tính tốn 37 4.1 Trường hợp mơ hình giàn tự nâng ba chân 38 4.2 Trường hợp mơ hình giàn cố định 42 Kết luận 46 Học viên: Lê Thị Việt Anh i Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học Tài liệu tham khảo 47 Phụ lục Kết số 49 Phụ lục Hướng dẫn vào số liệu 55 Học viên: Lê Thị Việt Anh ii Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ H (m) - chiều cao sóng d (m) - độ sâu nước biển  (m) - chiều dài bước sóng T (s) - chu kỳ sóng k - số sóng  (rad/s) - tần số sóng c (m/s)- vận tốc lan truyền sóng  (m) - mặt sóng f (N/m)- áp lực nước lên thành ống g (m/s )- gia tốc trọng trường CM - hệ số cản quán tính nước CD - hệ số cản kéo nước D (m)- đường kính ống  (kg/m )- khối lượng riêng nước biển Umặt (m/s)- vận tốc dòng chảy bề mặt Uđáy (m/s)- vận tốc dòng chảy đáy Sηη - phổ sóng u(m/s) , a (m/s ) vận tốc gia tốc hạt nước ur(m/s), ar (m/s ) vận tốc gia tốc tương đối kết cấu Học viên: Lê Thị Việt Anh iii Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các giá trị tham số hình dạng sóng Fij 11 Bảng 1.2 Các giá trị tham số tần số sóng Cj 11 Bảng 1.3 Các giá trị tham số vận tốc sóng Gij 12 Bảng 3.1 Hệ số ci, bi sử dụng phương trình (2.15), (2.16) 26 Bảng 4.1 Giá trị vận tốc ngang hạt nước đỉnh sóng đáy sóng 44 Bảng 4.2 Kết tính tải trọng quy nút cho giàn tự nâng 44 Bảng 4.3 Tổng tải trọng tác động lên giàn DK1 47 Bảng PL1.1 Giá tri phổ hệ số kn ứng với tần số ωn 52 Bảng PL1.2 Mặt sóng theo thời gian 57 Học viên: Lê Thị Việt Anh iv Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hệ tọa độ xem xét mơ hình sóng Hình 3.1 Thanh vị trí 30 Hình 3.2 Giả thiết phân bố lực song tuyến tính 31 Hình 4.1 Phổ Pierson-Moskowitz phổ JOHNSWAP cho trạng thái biển Hs=12m, Tz=10s 40 Hình 4.2 Giàn tự nâng 42 Hình 4.3 Mơ hình tính toán 42 Hình 4.4 Mặt sóng cho trường hợp Hs=12, Tz=10s, α=12m, d=62m 42 Hình 4.5 Mặt sóng cho trường hợp Hs=12, Tz=10s, α=12m, d=62m chân trước hai chân sau giàn (phổ Pierson-Moskowitz) 43 Hình 4.6 Vận tốc ngang hạt nước 43 Hình 4.7 Giàn cố định DK1 45 Hình 4.8 Mặt sóng cho trường hợp Hs=12, Tz=10s, α=15m, d=30m 46 Hình 4.9 Mặt sóng cho trường hợp Hs=12, Tz=10s, α=15m, d=30m hai chân trước hai chân sau giàn (phổ JOHNSWAP) 46 Học viên: Lê Thị Việt Anh v Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học MỞ ĐẦU Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài Trước tính tốn thiết kế cơng trình biển cần đánh giá tải trọng môi trường Chúng bao gồm: tải trọng sóng, gió dịng chảy Tải trọng sóng đóng vai trị quan trọng tính tốn cơng trình biển, tải trọng sóng tác động phần ngập nước cơng trình đóng góp phần đáng kể tải trọng môi trường Tải trọng sóng thường gấp vài lần so với tải trọng gió Ngồi ra, tải trọng dịng chảy đóng góp phần vào tải trọng tác động lên phần ngập nước cơng trình Để tính tốn tác động tải trọng sóng dịng chảy ta có bước:  Xác định tham số: tham số sóng, áp dụng lý thuyết sóng tương ứng để tìm vận tốc, gia tốc chất lỏng áp lực chất lỏng  Tính tốn tải trọng tác động cho phần có kích thước lớn tầu, xà lan kể đến thành phần lực sóng tới, nhiễu xạ phản xạ (do lắc tầu nước tĩnh)  Tính tốn tải trọng tác động cho giàn gồm phần tử có kích thước nhỏ Dùng phương trình Morison để xác định tải trọng tác động lên phần tử giàn Khi giàn chuyển động thay vận tốc gia tốc vận tốc gia tốc tương đối chất lỏng so với vật để tính tải trọng theo cơng thức Morison Trong luận văn tập trung trình bày, tính toán tải trọng lên giàn cố định hay di động từ kích thước tương đối nhỏ so với chiều dài bước sóng λ>5D Để tính tải trọng sóng tác động lên cơng trình điều quan trọng xác định động học hạt nước tức xác định vận tốc gia tốc hạt nước Tuy nhiên việc tìm lời giải xác phương trình động học sóng việc khơng dễ dàng Có nhiều cách tiếp cận nhiều tác giả sử dụng mơ Học viên: Lê Thị Việt Anh Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học hình sóng điều hịa Đơn giản sử dụng mơ hình sóng tuyến tính Airy, phức tạp ta sử dụng mơ hình sóng Stock bậc hay lý thuyết hàm dịng Nhưng mơ hình sóng điều hịa khơng thể tốt phản ứng động kết cấu tương tác sóng biển Không tải trọng tác động vào thời điểm có ảnh hưởng đến phản ứng động kết cấu mà lịch sử tác động Vì tốt sử dụng phương pháp phân tích động miền thời gian Tuy nhiên phương pháp phân tích miền thời gian địi hỏi số lượng tính tốn cồng kềnh, nhiều thời gian Chính lẽ này, nhóm tác giả ( Tromans PS, Anaturk AR, Hagemeijer P (1991) đưa cách tiếp cận để mơ phương trình mặt sóng ngẫu nhiên cho chu kỳ thời gian đủ dài có kể đến tổ hợp phổ mặt biển Cách tiếp cận cho phép ta đưa mơ hình sóng tiền định, phương trình mặt sóng kỳ vọng mặt sóng lân cận đỉnh sóng lớn sử dụng để tính tốn động học hạt nước Cách tiếp cận nhiều tác giả ( Tromans P.S., Efthymiou M., Van de Graaf J W., Vanderschuren L & Taylor P.H., 1992, Williams M S., Thompson R.S G., Houlsby G T., 1998, Cassidy M.J., Taylor R.E & Houlsby G.T., 2001) chấp nhận thay cho lý thuyết sóng điều hịa sử dụng phân tích động giàn ngồi biển Mục đích luận văn Tải trọng tác động lên chân đế cơng trình ngồi khơi giàn cố định, giàn tự nâng dạng ống thường xác định công thức Morison mở rộng, có kể đến chuyển động tương đối chất lỏng chân đế πD f = ρCM đây: f áp lực nước lên thành ống đứng điểm; CD,CM hệ số kéo hệ số quán tính; D đường kính ống;  khối lượng riêng nước; Học viên: Lê Thị Việt Anh Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học u, a vận tốc gia tốc hạt nước; ur, ar vận tốc gia tốc tương đối chân đế giàn biển Khi kể đến dòng chảy vận tốc hạt nước tổng vận tốc sóng dịng chảy Lực quy nút tính phép tính phân tải phân bố theo cơng thức (0.1) Theo cơng thức Morison để tính tải trọng sóng tác động lên cơng trình điều quan trọng xác định động học hạt nước (tức xác định vận tốc gia tốc hạt nước) Do mục đích luận văn xây dựng quy trình thuật tốn tính tốn động học hạt nước theo mơ hình sóng Trosman tính tốn tải trọng lên giàn ngồi biển sử dụng phương trình Morison Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương trình Morison mở rộng để tính tốn tải trọng tác động lên cơng trình ngồi biển Sử dụng mơ hình sóng nhóm tác giả Trosman tính tốn động học hạt nước Nội dung nghiên cứu Chương 1: Tổng quan mơ hình sóng chương trình tính tốn tải trọng sóng có Chương trình bày mơ hình sóng điều hịa sóng Airy, Stocks bậc sóng Cnoidal Giới thiệu hai chương trình tính sóng sử dụng tính tốn tải trọng cho cơng trình biển chương trình MOLOSH WF2000 Chương 2: Mơ hình sóng Trosman động học hạt nước Chương trình bày sở mơ hình sóng Đưa phương trình mặt sóng mơ hình sóng Trosman động học hạt nước tương ứng Nêu ưu điểm mơ hình sóng so với mơ hình khác Học viên: Lê Thị Việt Anh Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học KẾT LUẬN Với mục đích xây dựng quy trình thuật tốn tính tốn động học hạt nước theo mơ hình sóng Trosman tính tốn tải trọng lên giàn ngồi biển sử dụng phương trình Morison Luận văn thực nội dung sau Các mơ hình sóng chương trình tính tốn tải trọng sóng có liệt kê trình bày chương1 Đó mơ hình sóng điều hịa sóng Airy, Stocks bậc sóng Cnoidal Hai chương trình tính sóng sử dụng tính tốn tải trọng cho cơng trình biển chương trình MOLOSH WF2000 giới thiệu chương Cơ sở mơ hình sóng Trosman trình bày chương Đưa phương trình mặt sóng mơ hình sóng Trosman cơng thức tính động học hạt nước tương ứng Nêu ưu điểm mơ hình sóng so với mơ hình khác Chương ba trình bày việc xây dựng thuật tốn tính toán động học hạt nước tải trọng tác động lên cơng trình Điểm khác biệt phương pháp xây dựng quy trình thuật tốn động học hạt nước theo mơ hình sóng so với mơ hình trước trình bày chương Ghép nối với chương trình sóng có để tính tốn tải trọng tác động lên cơng trình Các ví dụ tính tốn tải trọng cho giàn tự nâng giàn cố định trình bày chương có so sánh với mơ hình sóng điều hịa khác Kết đạt luận văn tóm tắt sau: Nắm vững sở lý thuyết mơ hình sóng Trosman động học hạt nước theo mơ hình sóng này, Xây dựng thuật tốn tính động học hạt nước theo mơ hình sóng Trosman ghép nối với chương trình tính tải trọng, Thử nghiệm ví dụ để kiểm chứng chương trình tính tốn Học viên: Lê Thị Việt Anh 46 Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Airy G B (1845), “Tides and waves” Encyclopedia Metropolis, 5, pp 241- 396 [2] Cassidy M.J., Taylor R.E & Houlsby G.T (2001), "Analysis of Jack-up units using a Constrained NewWave Methodology", Applied Ocean Research, Vol 21, pp 221-234 [3] Dawson, T (1986) Structural Design of Offshore Platform, Leningrad, 1986 [4] Ellinza T., Tronmans P.S (1992) "Validation of New Wave theory and RDWF Prediction against measured Global Loading on a North Sea jacket", Proceedings of the Sixth International Conference on the Behaviour of Offshore Structures (BOSS), University of London, pp 495-505 [5] Faltinsen O M (1990) Sea Loads on Ships and Offshore Structures Cambridge University Press, 328 pages [6] Jensen JJ, Baatrup J, Mansour AE (1995), “A conditional mean second order th wave theory”, In Proceedings of the 14 Interantional Conference on Offshore Mechanic and Arctic Engineering (OMAE), p 347-55 [7] Jensen JJ (1996), “Second order wave kinematics conditional on a given wave crest”, Appl Ovean Res 18, p 119-28 [8] Newman J N (1990), "Numerical solution of the Water- wave dispersion relation", Applied Ocean Research, 12(1), pp 14-18 [9] Skjelbreia L, Hendrickson J (1960), “Fifth order gravity wave theory”, In: Proc 7th Coastal Eng Conf The Hague, p 184±96 [10] Stokes GG (1847), “On the theory of oscillatory waves”, Trans Camb Philos Soc, 8, pp 441-55 Học viên: Lê Thị Việt Anh 47 Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học [11] Taylor PH (1992), “On the kinematics of large ocean waves”, Ins proceedings of the Sixth International Conference on the Behaviour of Offshore Structure (BOSS), University of London, London, 1992 p 134-45 [12] Tromans P.S., Efthymiou M., Van de Graaf J W., Vanderschuren L & Taylor P.H (1992) "Extreme Storm Loading on Fixed Offshore Platforms", Proceedings of the Sixth International Conference on the Behaviour of Offshore Structures (BOSS), University of London, pp 325-335 [13] Tromans PS, Anaturk AR, Hagemeijer P (1991), A new model for the kinematics of large ocean waves Publication 1042 Shell Research BV, Rijswijk, The Netherlands [14] Williams M S., Thompson R.S G., Houlsby G T (1998), "Nonlinear Dynamic Analysis of Offshore Jack-up Units", Computers and Strucructures, 69(2), pp 171-80 Học viên: Lê Thị Việt Anh 48 Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học Phụ lục Kết số Bảng PL1.1 Giá trị phổ hệ số kn ứng với tần số ωn Học viên: Lê Thị Việt Anh 49 Học viên: Lê Thị Việt Anh 50 Học viên: Lê Thị Việt Anh 51 Học viên: Lê Thị Việt Anh 52 Học viên: Lê Thị Việt Anh 53 Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học Bảng PL1.2 Mặt sóng theo thời gian t -48 -44 -40 -36 -32 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 Học viên: Lê Thị Việt Anh 54 Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học Phụ lục Hƣớng dẫn vào số liệu Ta vào số liệu dạng file text dụng chương trình soạn thao Trong phụ lục thuyết minh file số liệu dạng text Các số liêu chung numnp nbeam Số liệu chứa dòng file, numnp - số lượng nút kết cấu, nbeam - số liệu kết cấu Ví dụ file số liệu chân đế giàn tự nâng dòng số liệu sau: 19 21 Có nghía có 19 nút 21 phần tử Các số liệu nút node X-cor Y-coor Z-coor Loại số liệu có numnp dịng Mỗi dịng có số: - node - số hiệu nút, - X-coor, Y-coor, Z-coor - toạ độ nút Ví dụ file số liệu chân đế giàn tự nâng cho phía nhóm số liệu có 49 dịng cụ thể sau 39.8372 -6.0 0.000 39.8372 6.0 0.000 50.2295 0.0 0.000 49 50.2295 0.0 88.574 Các số liệu ne ni nj diam Loại số liệu có nbeam dịng, Mỗi dịng có số: Học viên: Lê Thị Việt Anh 55 Luận văn thạc sỹ - ne - số hiệu thanh, - ni - số hiệu nút đầu thanh, - nj - số hiệu nút cuối thanh, - diam - đường kính Viện Cơ học Ví dụ file số liệu chân đế giàn tự nâng cho phía nhóm số liệu có 132 dịng với số liệu cụ thể sau 1 0.299 0.299 0.299 4250.52 5360.52 132 44 49 0.229 Các số liệu mơi trường biển Gồm dịng Dịng gồm 12 số liệu có cấu trúc sau: hsea WH WL WT RO U1 U2 ZBED Cm Cd Nalpha Nphase, hsea - độ sâu đáy biển, WH - chiều cao sóng, WL - độ dài bước sóng, WT - chu kỳ sóng, RO - mật độ nước biển, U1 - vận tốc dòng chảy bề mặt, U2 - vận tốc dòng chảy đáy, Cm - hệ số quán tính Cd - hệ số cản Học viên: Lê Thị Việt Anh 56 Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học Nalpha - số hương sóng tính tốn Nphase - số vị trí sóng tính tốn Trong ví dụ cụ thể phía thơng số có trị số sau 60 14.5 189.53 11.2 1.125 2.4 1.37 1.2 1.02 Dòng alpa1 alpha2 alpha3 alpha(nalpha) Dịng có nalpha số vào góc mà hướng sóng tạo với trục x Trong vị dụ cụ thể đưa phía ta tính cho hướng sóng hướng sóng tạo với trục x góc o Dịng phase1 phase2 phase3 phase(nphase) Dịng có nphase số vào phase sóng khác tương đương với vị trí đỉnh sóng mà ta định tính tốn Trong vị dụ cụ thể ta tính cho phase (vị trí đỉnh sóng) khác 60 120 180 240 300 Nhóm số liệu phổ sóng dùng cho mơ hình Trosman Về mức ngang ta có số liệu sau tenpho omega N tenpho – p1 chọn phổ Pierson-Moskovitz để tính tốn; p2 chon phổ JOHNSWAP để tính tốn omega – dải tần chọn tính tốn N số tổ hợp sóng tính tốn n1 -số hiệu nút thứ n2 - số hiệu nút thứ Học viên: Lê Thị Việt Anh 57 nnnl - số hiệu nút thứ nnl x0 - toạ độ x trọng tâm (giá thiết hướng sóng trùng với hướng x tính tốn tải trọng động) z - cao độ mức ngang m - khối lượng tập trung quy đổi mức ngang Trong ví dụ khối số liệu có dạng sau 10 11 43.30127 5.008 25.46407 12 13 14 43.30127 5.008 25.46407 3 15 16 17 43.30127 10.977 21.08848 Ví dụ file số liệu cho chân đế giàn tự nâng 19 21 39.8372 -6.0 0.000 39.8372 6.0 0.000 50.2295 0.0 0.000 39.8372 -6.0 28.884 39.8372 6.0 28.884 50.2295 0.0 28.884 39.8372 -6.0 58.729 39.8372 6.0 58.729 50.2295 0.0 58.729 10 39.8372 -6.0 64.698 11 39.8372 6.0 64.698 12 50.2295 0.0 64.698 13 39.8372 -6.0 82.605 14 39.8372 6.0 82.605 15 50.2295 0.0 82.605 16 39.8372 -6.0 88.574 17 39.8372 6.0 88.574 18 50.2295 0.0 88.574 19 43.3013 0.0 82.605 Học viên: Lê Thị Việt Anh 58 Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học 1 0.299 0.299 10 0.299 10 13 0.52 13 16 0.52 6250.52 7580.52 8 11 0.52 11 14 0.52 10 14 17 0.52 11 0.52 12 0.52 13 12 0.52 14 12 15 0.52 15 15 18 0.52 16 13 15 0.52 17 13 14 0.52 18 14 15 0.52 19 19 15 0.52 20 19 13 0.52 21 19 14 0.52 62 12 189.53 11.2 1.125 2.4 1.37 1.2 1.02 60 120 180 240 300 p1 2.81 256 Ví dụ số liệu giàn cố định 20 10 11 12 13 14 0 0 0 0 0 0 0 Học viên: Lê Thị Việt Anh 59 Luận văn thạc sỹ 15 0 0 0 -3.6894 3.6894 13 16 0 0 0 3.6894 3.6894 13 17111111-4.75-4.754 181111114.75-4.754 19111111-4.754.754 201111114.754.754 0.800 0.5 0.838 0.538 10 15 11 13 12 14 13 13 14 13 15 14 16 14 17 16 18 16 19 15 20 15 21 22 11 23 24 10 25 26 10 27 12 28 11 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 18.6 90 -60 60 -120 120 180 Viện Cơ học 1713 1714 1814 1816 2016 2015 1915 1913 1314 16 15 16 10 10 10 12 12 11 11 12 11 12 8 4 4.969707382 45 p1 2.81 256 Học viên: Lê Thị Việt Anh 60 ... sỹ Viện Cơ học CHƢƠNG XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC CỦA HẠT NƢỚC VÀ TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG LÊN CƠNG TRÌNH Tải trọng tác động lên cơng trình có phần tử kích thước nhỏ tính tốn theo cơng thức... trọng sóng, gió dịng chảy Tải trọng sóng đóng vai trị quan trọng tính tốn cơng trình biển, tải trọng sóng tác động phần ngập nước cơng trình đóng góp phần đáng kể tải trọng môi trường Tải trọng sóng. ..ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Thị Việt Anh Tính tốn tải trọng sóng tác động lên cơng trình ngồi khơi sử dụng mơ hình sóng Trosman LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: