Tải tác động do sĩng lên kết cấu mảnh

11 Khoảng tĩnh khơng và va đập sĩng

11.4 Tải tác động do sĩng lên kết cấu mảnh

11.4.1 Phương pháp rút gọn

11.4.1.1 Đối với một phần tử kết cấu hình trụ lực va đập lên mỗi đơn vị chiều dài cĩ thể được tính như sau:

2

1 2

s s

F  C Dv (273)

Trong đĩ Fs là lực va đập trên đơn vị chiều dài theo hướng của vận tốc,  là khối lượng riêng của chất lỏng, Cs là hệ số va đập,D là đường kính phần tử thanh, v là vận tốc tương đối giữa nước và phần tử thanh vuơng gĩc với bề mặt phần tử thanh.

11.4.1.2 Đối với một trụ trịn nhẵn những hệ số va đập cĩ thể được lấy là Cs = 5,15.

11.4.1.3 Nếu các ảnh hưởng động rất quan trọng cả đầu vào nước và các pha đầu ra nên được mơ hình hĩa.

11.4.2 Va đập sĩng trên kết cấu mảnh theo phương ngang

11.4.2.1 Một phương pháp để dự đốn thời gian lịch sử lực va đập sĩng ngang lên kết cấu mảnh được đưa ra bởi Kaplan. Giả sử sĩng truyền thơng thường đối với hình trụ theo phương ngang, lực dọc trên một đơn vị chiều dài của trục cĩ thể được thể hiện bằng cách: , 2 1 ,3 1 ( ) ( ) ( / ) ( / ) 2 a z z z a D m F t gA m A d z r C z r z               (274) Trong đĩ: 1 gA  - lực nổi; 1 A

  - đại diện cho ảnh hưởng của gradient áp lực khơng gian trong sĩng;

,3

a

m - khối lượng nước kèm theo phương đứng đĩ là một hàm của mức độ ngập nước (như là A1);

( / )

d z r - khác nhau chiều dài mặt cắt ngang tham khảo để đánh giá lực cản (với một giá trị tối đa bằng với đường kính hình trụ). Xem Hình 37;

( / )

z D

C z r - một hệ số cản cho dịng chảy thẳng đứng, là hàm của mức độ ngập nước, nhưng cĩ thể được thực hiện để cĩ một giá trị khơng đổi 1,0.

11.4.2.2 Các điều khoản liên quan đến m3 được tìm thấy từ tỉ lệ thời gian sự thay đổi của lực chất lỏng dọc; và số hạng cuối cùng trong cơng thức đại diện cho một lực cản. Các số hạng quán tính tỉ lệ với 2 là chỉ để ước lượng khi  > 0, tương ứng với tình trạng tăng độ ngập. khi  < 0 giá trị này được đặt là khơng.

Hình 37 - Va đập sĩng lên hình trụ theo phương ngang

11.4.2.3 Một biểu thức tương tự cĩ sẵn cho các lực tác động ngang lên mỗi đơn vị chiều dài:

,1 1 ,1 ( ) ( ) ( / ) ( / ) 2 a x x a D m F t A m u u u u h z r C z r z          (275) Trong đĩ: ,1 a

m - khối lượng nước kèm theo phương ngang (ma,1=R2);

u - vận tốc hạt chất lỏng ngang;

( / )

h z r - chiều dài chiếu thẳng đứng thay đổi theo độ ngập nước và cĩ một giá trị tối đa bằng với đường kính hình trụ;

( / )

x D

C z r - hệ số cản sườn, mà tính chất vật lý khác nhau phù hợp với mức độ ngập nước, nhưng cĩ thể được xem như là các giá trị khơng đổi 1,0.

Đối với một trụ trịn, tốc độ thay đổi của khối lượng nước kèm ngang được đưa ra bởi

1/ 4 /

m z  R

  

11.4.3 Va đập sĩng lên kết cấu mảnh theo phương dọc

11.4.3.1 Lực va đập vào một hình trụ thẳng đứng cĩ thể dự đốn theo một cách được gọi là strip-wise bằng cách tổng hợp các lực tác động lên mỗi dải của hình trụ như nĩ thâm nhập vào bề mặt sĩng.

11.4.3.2 Lực Fx ở độ cao z khi sĩng đánh hình trụ tỉ lệ với động lượng khối lượng nước kèm: 2 2 2 1 2 ( , ) [ ( ; ) ] [ ( ; )] 2 D D x S d d F z t A t z u A s z u C Du dt ds     (276) 2D

A là giới hạn tần số cao của khối lượng nước kèm đối với một phần hình trụ 2D như một chức năng của sự ngập nước s = s t( ) so với bề mặt sĩng và u là vận tốc ngang tương đối giữa bề mặt sĩng và hình trụ. uđược giả định khơng đổi trong quá trình tác động.

11.4.3.3 Giá trị thực nghiệm cho tốc độ thay đổi của khối lượng nước kèm của một hình trụ trịn đối với khoảng cách s là xác định được và đã được đại diện bởi một cơng thức phân tích bởi Campbell và Weynberg. Hệ số va đập hay hệ số tác động được định

nghĩa bởi: 2 2 D s dA C D ds   (277)

trong đĩ D là đường kính hình trụ. Một sự phù hợp phân tích cho các thí nghiệm đưa ra: 0,107 ( ) 5,15 19 s D s C s D s D          (278)

11.4.3.4 Tại thời điểm bắt đầu tác động C ss( )5,15. Các mơ hình trên là một xấp xỉ đáng tin cậy khi sĩng tác động vào là dốc. Cơng thức trên chỉ được áp dụng trong quá trình xâm nhập của các bề mặt sĩng, nghĩa là cho 0 s D. Khi hình trụ là hồn tồn ngập nước,

( ) 0,8

s

C D 

11.4.3.5 Các cơng thức trên cho các lực tác động phân bố dọc theo các hình trụ. Khi phần hình trụ là hồn tồn ngập nước, mơ hình tải phù hợp là phương trình Morrison thơng thường với khối lượng và lực cản sử dụng khối lượng và hệ số cản khơng đổi.

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 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.