Tải trọng tác động do sĩng lên các tấm

11 Khoảng tĩnh khơng và va đập sĩng

11.5 Tải trọng tác động do sĩng lên các tấm

11.5.1 Tải va đập sĩng trên một thân cứng

11.5.1.1 Các thơng số đặc trưng va đập vào một thân cứng với một gĩc deadrise nhỏ là vị trí và giá trị của áp lực tối đa, khoảng thời gian và phạm vi khơng gian của áp lực va đập cao. Hình 38 cung cấp một cái nhìn sơ đồ nhập cảnh nước của một thân hai chiều lên một bề mặt tự do bình tĩnh. Các bề mặt tự do bị biến dạng dẫn đến phun và sự hình thành của một dịng phun.

11.5.1.2 Các gĩc deadrise cục bộ là một tham số quan trọng, nhưng ảnh hưởng cong cục bộ và lịch sử thời gian của gĩc deadrise và độ cong vật chất. Ba chiều các ảnh hưởng sẽ cĩ xu hướng giảm áp lực va đập. Cách đỡ các ảnh hưởng cĩ thể làm giảm đáng kể áp lực cao điểm khi gĩc giữa thân tác động vào và bề mặt tự do thấp hơn 2-3.

Hình 38 - Sơ đồ hiển thị đầu vào nước của một thân lên một bề mặt tự do tĩnh 11.5.1.3 Hình 39 trình bày định nghĩa của các thơng số đặc trưng áp lực va đập vào một

khơng bị xáo trộn với một vận tốc khơng đổi V hướng xuống. Các bề mặt tự do trung bình nằm tại z= 0 và chân dịng phun là (ymax,zmax).

  - gĩc deadrise;

P max

C - hệ số áp lực ở áp suất tối đa;

max

z z - phối hợp của áp lực tối đa;

S

S

 - phạm vi khơng gian của áp lực va đập quá 50% áp lực tối đa;

3

F - lực thủy động lực dọc trên thân;

t - thời gian.

11.5.1.4 Chiều dài ngập nước của một nêm đối xứng (từ đỉnh đến chân dịng phun) cĩ thể được ước tính bằng cơng thức:

( ) 2 tan Vt c t    (279)

Trong đĩ gĩc deadrise thấp được đưa ra:   15 20o

11.5.1.5 Trình bày các giá trị cho tham số đặc trưng của áp lực va đập, bao gồm tổng lực thủy động lực dọc, z- phối hợp của các áp lực tối đa và phạm vi khơng gian của áp lực va đập vượt quá 50% của áp lực tối đa. Khi gĩc deadrise  là dưới đây về 20, phân bố áp suất cĩ một cao điểm rõ rệt gần chân dịng phun.

11.5.1.6 Các thí nghiệm cĩ thể cần thiết để cung cấp cho ước lượng chính xác tải trọng tác động.

11.5.2 Lực va đập khơng gian trung bình

11.5.2.1 Áp lực cao nhất trong khoảng thời gian nước vào của một cái nêm với một gĩc deadrise nhỏ thường là khơng cĩ liên quan về thép kết cấu. Như mơ tả trong 11.5.1 đỉnh cao áp được bản địa hố trong thời gian và khơng gian.

Bảng 14 - Tính các thơng số với một gĩc deadrise nhỏ thường là khơng cĩ liên quan về thép kết cấu

11.5.2.2 Áp lực va đập trung bình trên một diện tích rộng lớn hơn (ví dụ: một số lĩnh vực tấm của một con tàu) cĩ thể được tính từ:

2 1 v 2 s Pa p  C (280) Trong đĩ: s

p - áp lực va đập trung bình khơng gian;  - khối lượng riêng của chất lỏng;

Pa

C - hệ số áp lực va đập trung bình khơng gian;

v - vận tốc bình thường tương đối giữa nước và bề mặt.

11.5.2.3 Các hệ số áp lực va đập trung bình khơng gian phải được xác định bằng phương pháp lý thuyết và/hoặc thử được cơng nhận.

11.5.2.4 Đối với một trụ trịn mịn hệ số áp lực va đập khơng nhỏ hơn CPa = 5,15. Đối với va đập sĩng lên đáy phẳng cĩ tính đến đệm và các phản ứng ba chiều, hệ số áp lực va đập khơng nhỏ hơn CPa = 2. Điều này áp dụng cho gĩc deadrise  < 4.

11.5.2.5 Đối với một thân hình nêm với gĩc deadrise > 15tính đến phản ứng ba chiều, hệ số áp lực va đập khơng nhỏ hơn:

1,1 2, 5 (tan)  Pa C (281)   max P C zmax/Vt SS /c 3 3/ F V t 4o 503,030 0,5695 0,0150 1503,638 7,5o 140,587 0,5623 0,0513 399,816 10o 77,847 0,5556 0,0909 213,980 15o 33,271 0,5361 0,2136 85,522 20o 17,774 0,5087 0,4418 42,485 25o 10,691 0,4709 23,657 30o 6,927 0,4243 14,139 40o 3,266 0,2866 5,477

trong đĩ  là gĩc nêm tại nơi giao nhau giữa thân và mặt nước. Cơng thức thực nghiệm này là dựa trên một đường cong phù hợp của áp lực đỉnh trong Hình 40.

Hình 40 - Dự đốn phân bố áp suất (p) trong quá trình xâm nhập nước của một nêm cứng với vận tốc vít dọc V. Pa = áp suất khí quyển,  = gĩc deadrise

11.5.2.6 Đối với một thân cĩ hình nêm với 0 <  <15, cĩ tính đến các phản ứng đệm và ba chiều, một nội suy tuyến tính giữa các kết quả cho đáy phẳng (CPa với ) và

 cĩ thể được áp dụng, xem Hình 41.

Hình 41 - Áp lực va đập trung bình khơng gian hệ số CPa so với CPmax/ 2 đối với một thân hình nêm như một chức năng của gĩc deadrise cục bộ 

Hình 42 - Diện tích được xem xét trong việc đánh giá tải trọng do áp lực sốc lên các hình trụ trịn

11.6 Tác động sĩng vỡ 11.6.1 Áp lực sốc 11.6.1 Áp lực sốc

11.6.1.1 Áp lực sốc do sĩng vỡ trên bề mặt thẳng đứng phải được xem xét. Các quy trình được mơ tả trong 11.4.3 cĩ thể được sử dụng để tính tốn áp lực sốc. Các hệ số Cs phụ thuộc vào cấu hình của khu vực tiếp xúc với áp lực sốc.

11.6.1.2 Đối với sĩng khơng bị xáo trộn vận tốc tác động ( )u cần được thực hiện ở mức

1,2 lần vận tốc pha của sĩng vỡ cao nhất cĩ thể xảy ra nhất trong n năm. Chiều cao sĩng vỡ lớn nhất cĩ thể xảy ra được lấy bằng 1,4 lần chiều cao sĩng đáng kể cĩ thể xảy ra trong n năm. Đối tác động trong vùng lân cận của một kết cấu lớn, vận tốc tác động bị ảnh hưởng bởi các phản ứng nhiễu xạ.

11.6.1.3 Đối với một trịn hình trụ thẳng đứng, diện tích tiếp xúc với áp lực sốc cĩ thể được thực hiện như là một tiết diện nghiêng 45với một chiều cao 0,25 Hb, trong đĩ Hb

là chiều cao sĩng vỡ lớn nhất cĩ tần suất xảy ra lớn nhất trong n năm. Vùng từ mực nước tĩnh lên đỉnh của đỉnh sĩng nên được tính tốn cho ảnh hưởng các áp lực sốc.

11.6.1.4 Đối với một sĩng chìm vỡ ngay trước mặt của hình trụ thẳng đứng đường kính

D, thời gian T của lực tác động vào các hình trụ cĩ thể được tính như sau:

13 64 D T c  (282)

trong đĩ c là vận tốc pha của sĩng.

11.7 Tổn thương mỏi do tác động sĩng 11.7.1 Quy định chung 11.7.1 Quy định chung

Các tổn thương mỏi do sĩng va đập cĩ thể được xác định theo các quy trình sau đây: a) Xác định chiều cao sĩng tối thiểu Hmin mà cĩ thể gây ra sập.

c) Đối với mỗi dải ứng suất được tính như sau: 2[ ( )] j A slam b w         (283) Trong đĩ: slam

 - ứng suất trong các phần tử chịu tải va đập;

b

 - ứng suất do lực nổi rịng trên phần tử;

w

 - ứng suất do các lực sĩng dọc trên các phần tử;

A - hệ số kể đến khuếch đại động.

d) Đĩng gĩp cho mỏi từ mỗi khối sĩng được đưa ra như:

20 20 i 20 k i j j i n j n i y R N            (284) Trong đĩ: j n - số sĩng trong khối j j

N - số tới hạn của chu kỳ ứng suất (từ đường cong S-N cĩ liên quan) liên quan tới j;

i

n - số lượng các ứng suất vượt quá phạm vi ứng suất giới hạn liên quan với mức độ cắt của đường cong S-N;

R- hệ số giảm trên số lượng các con sĩng;

k - độ dốc của đường cong S-N (ở thang tỉ lệ log-log).

Phương pháp của Ridley cĩ thể được sử dụng để ước tính tổn thương mỏi các kết cấu mảnh nghiêng trong vùng dao động sĩng.

12 Dao động gây ra bởi dịng xốy cảm ứng 12.1 Khái niệm và định nghĩa cơ bản 12.1 Khái niệm và định nghĩa cơ bản

12.1.1 Khái niệm chung

Giĩ, dịng chảy hoặc dịng chất lỏng qua một thành phần cấu trúc cĩ thể gây ra mơ hình dịng chảy khơng ổn định do dịng xốy cảm ứng. Điều này cĩ thể dẫn đến dao động của các phần tử thanh mảnh bình thường quanh trục dọc của chúng. Dao động do dịng xốy gây ra như vậy (VIO) phải được kiểm tra, phân tích.

Các thơng số chủ yếu chi phối dao động do xốy gây ra là: a) Tỉ lệ hình học (L D/ )

b) Tỉ lệ khối lượng (mm/ (1 4D2)

d) Số Reynolds (ReuD/) e) Tốc độ giảm (VR u f D/ n )

f) Đặc tính dịng chảy (thơng số dịng chảy, dịng chảy ổn định/ dao động, cường độ bất ổn (u /u) vv).

Trong đĩ:

L - chiều dài phần tử (m);

D - đường kính phần tử (m);

m - khối lượng trên đơn vị dài (kg/m);

 - tỉ lệ giữa sức cản và sức cản tiêu chuẩn;  - mật độ chất lỏng (kg/m3);

 - độ nhớt động chất lỏng (m2/s);

u - (trung bình) dịng chảy vận tốc (m/s);

n

f - tần số dao động riêng của các phần tử (Hz);

u

 - độ lệch chuẩn của vận tốc dịng chảy (m/s).

12.1.2 Số Reynolds

Với các phần tử tĩnh mịn được làm trịn thủy động lực hiện tượng dịng xốy cảm ứng phụ thuộc rất nhiều vào số Reynolds cho dịng chảy, như được đưa ra dưới đây.

102 < Re < 0,6 106 Định kỳ

0,6 106 < Re < 3 106 Ngẫu nhiên rải tần số rộng 3 106 < Re < 6 106 Ngẫu nhiên rải tần số hẹp

Re > 6 106 Tựa như định kỳ

Đối với phần tử thơ và các phần tử dao động trơn tru, xốy cảm ứng dịng xốy cảm ứng được xem xét định kỳ cẩn thận trong tồn bộ phạm vi số Reynolds.

12.1.3 Tần số xốy

Các tần số xốy trong dịng chảy ổn định hoặc dịng chảy với số KC lớn hơn 40 cĩ thể được tính như sau:

s u f St D  (285) Trong đĩ: - tần số dịng xốy cảm ứng (Hz);

St - số Strouhal;

u - vận tốc chất lỏng bình thường so với trục phần tử thanh (m/s);

D - đường kính phần tử (m).

12.1.3.1 Dịng xốy cảm ứng cĩ liên quan đến các hệ số cản của các phần tử được xem xét. Hệ số cản lớn thường đi cùng dịng xốy cảm ứng xốy cảm ứng mạnh hoặc ngược lại.

12.1.3.2 Đối với một hình trụ trơn đứng yên, số Strouhal (St) là một hàm của số Reynolds (Re). Mối quan hệ giữa St và Re đối với một trụ trịn được cho trong Hình 43.

Hình 43 - Số Strouhal (St) đối với một hình trụ trịn như một hàm của số Reynolds (Re)

12.1.3.3 Trụ cĩ bề mặt nhám hoặc hình trụ rung (cả mặt trơn và ráp) cĩ số Strouhal tương đối khơng nhạy cảm với số Reynolds.

12.1.3.4 Đối với mặt cắt ngang với các gĩc sắc nét, dịng xốy cảm ứng cũng được xác định cho tất cả các vận tốc, đưa ra số Strouhal độc lập với số Reynolds.

12.1.4 Lock-in

12.1.4.1 Tại các vận tốc dịng chảy tiêu chuẩn đã biết, tần số dịng xốy cảm ứng cĩ thể trùng với tần số dao động riêng của chuyển động của các phần tử, dẫn đến rung động cộng hưởng.

12.1.4.2 Khi vận tốc dịng chảy được tăng hoặc giảm để các tần số dịng xốy cảm ứng fs tiếp cận tần số dao động riêng fn, dịng xốy cảm ứng khĩa tần số dao động riêng của kết cấu và những rung động kết quả xảy ra tại hoặc gần với tần số dao động riêng. Cần lưu ý rằng tần số riêng trong quá trình lock-in cĩ thể khác với tần số riêng trong nước tĩnh. Điều này là do sự thay đổi của khối lượng nước kèm với vận tốc dịng chảy.

12.1.4.3 Trong khu vực lock-in, các xốy tần số đổ được quyết định bởi tần số riêng của phần tử, trong khi với vận tốc thấp hơn và cao hơn tần số dịng xốy cảm ứng tuân theo mối quan hệ Strouhal.

12.1.4.4 Lock-in cho tần số riêng cĩ thể xảy ra cả song song với dịng chảy (in-line) và ngang với dịng chảy (dịng chảy chéo).

12.1.4.5 Đối với hình trụ mềm đáp ứng ở nhiều dạng, sự đáp ứng được ở dải rộng điển hỉnh và lock-in được báo là khơng xảy ra.

12.1.5 Chuyển động ngang dịng và trong dịng Xốy gây ra rung cĩ thể được chia thành: Xốy gây ra rung cĩ thể được chia thành:

- Dao động dịng ngang (CF) với biên độ dao động trong khoảng 1 đường kính. - Dao động trong dịng (IL) với biên độ theo thứ tự từ 10-15% đường kính. - CF gây ra rung động IL với biên độ 30-50% của biên độ CF.

- Chuyển động IL sẽ xảy ra ở vận tốc giảm thấp nhất, và sẽ là phản ứng đầu tiên xảy ra. Khi vận tốc đủ lớn cho phản ứng CF (và CF gây ra phản ứng IL) xảy ra, chuyển động IL là bình thường khơng cịn quan tâm từ khi biên độ phản ứng là nhỏ hơn.

12.1.6 Vận tốc giảm

Để xác định vận tốc dao động trong đĩ dịng xốy cảm ứng sẽ cộng hưởng với tần số riêng của phần tử, một tham số VR, được gọi là vận tốc giảm, được sử dụng. VR được định nghĩa là: R i u V f D  (286) Trong đĩ:

u = u x( ) - dịng chảy vận tốc tức thời bình thường với trục phần tử (m/s);

i

f - các tần số dao động riêng thứ i của các phần tử thanh (Hz);

D = D x( ) đường kính phần tử thanh (m);

x - khoảng cách dọc theo trục phần tử (m).

12.1.7 Tỉ lệ khối lượng

Tỉ lệ khối lượng là thước đo tầm quan trọng tương đối của sự nổi và các phản ứng khối lượng trên mơ hình, và được định nghĩa là:

2/ 4 m m D   (287)

lượng thấp (ví dụ các ống đứng, đường ống), trong khi đối với tỉ lệ khối lượng cao rung động xảy ra trong khoảng từ 4 < VR < 8 (giĩ tiếp xúc kết cấu).

12.1.8 Tham số ổn định

Một thơng số làm chủ các chuyển động là tham số ổn định, Ks. Nĩ cũng được gọi là số Scrouton. Tham số này là tỉ lệ thuận với sức cản và tỉ lệ nghịch với lực do dịng xốy cảm ứng. Do đĩ tham số là lớn khi sức cản là lớn hay nếu các khu vực lock-in trên các phần tử là nhỏ so với chiều dài của ống.

Đối với đường kính phần tử đồng nhất và điều kiện dịng chảy đồng đều trên chiều dài phần tử tham số ổn định được định nghĩa là:

2 2 e s m K D    (288) Trong đĩ:

 - khối lượng riêng xung quanh trung bình (khơng khí/khí hoặc chất lỏng) (kg/m3);

D - đường kính phần tử (m);

e

m - khối lượng trên một đơn vị chiều dài của các phần tử (kg/m);  - sức cản logarit (=2 );

 - tỉ lệ giữa sức cản và sức cản tiêu chuẩn;  -  s other h s  - sức cản kết cấu; other  - sức cản đất hoặc sức cản khác; h  - sức cản thủy động lực. 12.1.9 Sức cản kết cấu

Sức cản kết cấu là do các lực ma sát của vật liệu phần tử và phụ thuộc vào mức độ căng và độ lệch liên quan. Đối với phần tử thép tiếp xúc giĩ, tỉ lệ sức cản cấu trúc s/2 được lấy là 0,0015, nếu khơng cĩ các thơng tin khác cĩ sẵn. Đối với phần tử mảnh trong nước, tỉ lệ sức cản kết cấu bị lệch vừa phải được lấy điển hình từ 0,005 cho ống thép nguyên chất đến 0,03-0,04 cho ống mềm.

12.1.10 Sức cản thủy động lực

12.1.10.1 Lượng giảm lo-ga-rit tổng quát cho các sức cản thủy động lực học cĩ thể được tính như sau: 1 1 2 2 0 ( ) | ( ) | ( ) ( ) | ( ) | ( ) 4       l d D l D h i i C D x u x y x dx C D x u x y x dx f M (289)

i

M là khối lượng tổng quát cho chế độ i: