Phương pháp rút gọn cho lực sĩng vỗ sàn ngang

11 Khoảng tĩnh khơng và va đập sĩng

11.3.3 Phương pháp rút gọn cho lực sĩng vỗ sàn ngang

Phương pháp này là một cơng thức kéo. Quy trình rút gọn dựa trên chiều cao đỉnh nhất định. Các bước để dự đốn lực sĩng vỗ sàn và điểm đặt của nĩ được áp dụng như sau:

11.3.3.1 Đối với một chiều cao đỉnh, tính tốn diện tích sàn ngập nước "hình bĩng", A, dự theo hướng sĩng, w.

11.3.3.2 Ađược xác định là khu vực bĩng mờ trong Hình 33 nghĩa là khu vực giữa phía dưới sàn giàn giáo và đỉnh của các thiết bị "rắn" trên sàn chính. Các khu vực của chân sàn và giằng sàn phía trên sàn miệng giếng là một phần của diện tích bĩng. Diện tíchA

được tính như sau:

cos sin

x w y w

A A  A  (263)

trong đĩ w, Ax và Ay được định nghĩa trong Hình 34.

11.3.3.3 Tính tốn vận tốc chất lỏng ngang tối đa do sĩng gây ra V ở độ cao đỉnh hoặc phía trên cùng của bĩng sàn chính, chọn giá trị nào thấp hơn.

11.3.3.4 Lực ngang của sĩng vỗ sàn trên sàn tàu được tính theo cơng thức sau:

2

1

h h

trong đĩ là khối lượng riêng của nước và hệ số lực ngang đối với một sàn (cứng) nhiều thiết bị nặng được đưa ra bởi:





  



2,5 cho đầu và hai mạn 1,9 với đường chéo ( 45 )

h o

w

C (265)

11.3.3.5 Lực Fh nên được áp dụng ở độ cao trên đáy của các sàn miệng giếng, được xác định là 50% của khoảng cách giữa điểm thấp nhất của khu vực bĩng và đỉnh sĩng hoặc mặt trên của sàn chính cái nào thấp hơn.

11.3.3.6 Phương pháp rút gọn nên được sử dụng cho kết cấu với các bộ phận nhơ ra, trong đĩ nước cĩ thể bị mắc kẹt. Trong trường hợp đĩ, lực ngang cĩ thể là cao hơn đáng kể, cĩ thể tăng gấp đơi đối với các sĩng thẳng hướng và phía bên mạn.

11.3.3.7 Các hệ số lực cũng sẽ lớn hơn cho chiều cao tác động thấp khi cĩ nhiều chướng ngại vật trên mặt dưới sàn, ví dụ một số dầm, ở đĩ tiếp cận khu vực dự kiến khơng phản xạ. Trong trường hợp đĩ, hệ số lực phải lớn hơn, lên đến Ch = 3,5 cho đầu vào sĩng.

Sàn chính Sàn miệng giếng Sàn cơng tác Sàn chính Sàn miệng giềng Sàn cơng tác Hình 33 - Định nghĩa diện tích bĩng

11.3.4 Phương pháp động lượng cho lực sĩng vỗ sàn theo phương ngang

11.3.4.1 Phương pháp động lượng là một phương pháp mạnh mẽ để dự đốn các lực tác động sĩng lên sàn kết cấu. Phương pháp này được giới hạn trong tọa độ hai chiều và một trường sĩng đến xáo trộn. Biểu thức cho lực sĩng vỗ sàn được đưa ra từ nguyên tắc bảo tồn động lượng chất lỏng.

11.3.4.2 Các lực tác động sĩng ngang trên một kết cấu sàn rắn cĩ thể được ước tính giả định rằng các sàn cĩ ảnh hưởng tới một tấm ngắn theo chiều đứng rắn xung quanh ranh giới ngồi của sàn. Khối lượng nước kèm theo tiết diện của một bề mặt tấm thẳng đứng với chiều dài ngập nước theo phương đứng c:

 

 2

, (2 / )

a x

y Mặt quan sát của sàn Ax x Đầu sĩng Ay θw

Hình 34 - Quy ước đầu sĩng và hướng sĩng

11.3.4.3 Giả sử rằng giá trị tối đa chiều dài ngập nước theo phương đứng c là nhỏ hơn nhiều so với chiều rộng phương ngang B, vuơng gĩc với hướng truyền sĩng, tổng khối lượng nước kèm bên được đưa ra bởi (xem Hình 35):

   2

, (2 / ) B

a x

M c (267)

Hình 35 - Định nghĩa chiều dài nhúng nước theo phương đứng

11.3.4.4 Lực ngang trên cơ sở thời gian theo hướng truyền sĩng bao gồm cả sự thay đổi đà quán tính và lực kéo được đưa ra bởi:

   ,  , 1 ( ) 2 a x h a x D dM F t M u u cC Bu u dt (268) Trong đĩ:

c= c t( )là chiều dài ngập nước theo phương đứng tức thời;

u = u t( )là vận tốc hạt ngang tức thời trong sĩng xáo trộn;

, /

a x

dM dt = (4 / ) c dc dt B( / ) là tỉ lệ thay đổi của khối lượng nước kèm bên;

D

C = hệ số cản.

rắn cĩ thể được dự đốn từ vận tốc thẳng đứng trong sĩng tại các điểm tiếp xúc đầu tiên và khu vực sàn ngập nước tức thời của các lực tác động thẳng đứng tối đa. Phương pháp này được phát triển đối với một sàn kiểu hộp đơn giản. Đối với các loại cấu hình sàn, chẳng hạn như sàn với các bộ phận nhơ ra hoặc nhiều dầm ngang, lực tác động sĩng theo phương đứng cĩ thể lớn hơn đáng kể.

11.3.5.2 Đối với một chiều cao đỉnh được xác định từ điều kiện bão cụ thể, xác định pha mà tại đĩ các phần thấp nhất của sàn va chạm với sĩng.

11.3.5.3 Tính tốn vận tốc theo phương thẳng đứng (hướng lên), vz, trong sĩng tại địa điểm này. Chiều dài sàn ngập nước, L, là khoảng cách ngang từ điểm va chạm đến nơi mà đỉnh sĩng là tối đa. Diện tích sàn ngập nước, A, được xác định bởi chiều dài và cấu hình sàn ngập nước, xem Hình 36.

Hình 36 - Định nghĩa về chiều dài ngập nước và vận tốc thẳng đứng trong sĩng cho lực tác động theo phương đứng tối đa

11.3.5.4 Các lực dọc sĩng vỗ sàn hướng lên sau đĩ được tính theo cơng thức: 2 1 2 v v z F  C Av (269) Trong đĩ: v

C = 5 cho đầu sĩng vào và cạnh bên;

v

C = 10 cho sĩng xiên 45.

11.3.5.5 Lực thẳng đứng hướng lên được phân bố đều trên khu vực sàn ngập nước. Phương pháp rút gọn là hợp lệ cho lực tổng thể, trong khi các lực tác động cục bộ gần như cùng độ lớn xảy ra dọc theo tồn bộ phía dưới sàn.

11.3.5.6 Các lực thẳng đứng hướng xuống cũng cần được xem xét. Độ lớn của lực hướng xuống cĩ thể lớn hơn lực hướng lên nếu phía dưới của sàn là trơn, cĩ thể là trường hợp khi một két đáy lớn hiện diện.

11.3.6 Phương pháp động lượng cho lực sĩng vỗ sàn thẳng đứng

11.3.6.1 Các lực tác động thẳng đứng trên kết cấu sàn rắn theo phương ngang được đưa ra bởi ảnh hưởng kết hợp của mức độ thay đổi của động lượng và một lực cản. Xấp xỉ một phần ngập nước của kết cấu sàn bởi một tấm phẳng cĩ chiều dài L và chiều rộng B

, và giả sử sĩng truyền theo một hướng dọc theo chiều dài của tấm, lực tác động theo phương đứng được đưa ra bởi:

, 1 ( ) 2 v a z D d F M w BLC w w dt    (270)

11.3.6.2 Khối lượng nước kèm ba chiều theo chiều đứng của kết cấu sàn tấm phẳng hình chữ nhật được đưa ra bởi:

1/2 2 2 , ( ) 1 ( / ) 8 a z M t  BL L B        (271)

w= w t( ) là vận tốc thẳng đứng ở mặt dưới sàn và L = L t( ) là chiều dài ngập nước. Số

lượng L và dL dt/ được xác định từ mức độ tương đối của mức độ ngập nước của mặt dưới sàn phẳng, xảy ra khi sĩng tới đi dọc theo sàn từ vị trí tiếp xúc ban đầu của nĩ.

11.3.6.3 Trong trường hợp trường tự do, nghĩa là cho sàn của một kết cấu jacket, trong đĩ các sĩng đến khơng bị xáo trộn bởi giàn, số lượng dL dt/ cĩ thể xấp xỉ bằng vận tốc pha sĩng. wdMa x, /dt thay đổi liên tục đến thời điểm khi chiều dài ngập nước L đạt đến cuối sàn, sau đĩ dL dt/ = 0 và giới hạn từ đĩ bằng khơng trong suốt thời gian cịn lại mà độ cao sĩng cụ thể tiếp xúc với sàn. Giới hạn này cũng được đưa về khơng khi wz < 0, đĩ là khi sĩng rời sàn. Điều này gĩp phần vào việc đảo chiều của lực dọc.

Trong quá trình tác động, chuyển động được tìm thấy tại mỗi thời điểm tại vị trí của tâm hình học của các khu vực ngập nước cần được xem xét.

11.3.6.5 Đối với một hình dạng sàn chung các khu vực ngập nước cĩ thể được xấp xỉ bằng một tấm phẳng với một ranh giới được xác định bởi giao điểm tức thời giữa sàn và sĩng tới.

11.3.6.6 Khối lượng nước kèm của tấm cĩ hình tùy ý cĩ thể được xấp xỉ bởi khối lượng nước kèm của một tấm hình elip ở bề mặt tự do. Các trục của elip được tìm thấy bằng cách gán diện tích và tỉ lệ bằng nhau cho hai dạng hình học.

11.3.6.7 Giới hạn tần số cao của khối lượng nước kèm của một tấm hình elip mỏng với trục a/ 2và b/ 2 dao động trong bề mặt tự do được đưa ra bởi một nửa giá trị của nĩ trong chất lỏng khơng giới hạn,

2 , 1 6 a z A M   C a b (272)

Trong đĩ các hệ số CA cĩ thể được tìm thấy bằng cách nội suy ở bảng A-2 trong Phụ lục A.

11.3.6.8 Khi sĩng chỉ chạm ở sàn, độ chính xác lớn trong cả độ cao sĩng và chuyển động hạt chất lỏng cần thiết để dự đốn lực với độ chính xác chấp nhận được. Các lực kết quả cho các tác động nhẹ là dù nhỏ, và các lỗi tuyệt đối trong lực tính tốn do đĩ cũng nhỏ.

11.3.6.9 Phương pháp Kaplan cĩ thể đánh giá thấp tầm quan trọng của lực hướng lên của sĩng vỗ sàn vì nhiễu xạ do sàn được bỏ qua và do đĩ dMa, z/dt được đánh giá thấp.

11.3.7 Phản ứng nhiễu xạ từ kết cấu lớn

11.3.7.1 Một phần mở rộng của phương pháp Kaplan bao gồm các ảnh hưởng nhiễu xạ khối ba chiều lớn bậc 1 và 2, hình học sàn nĩi chung và hướng sĩng đến tùy ý được đề xuất bởi Baarholm (2005).

11.3.7.2 Các ảnh hưởng nhiễu xạ khối lớn cĩ thể là do cột cĩ đường kính lớn hỗ trợ sàn (ví dụ GBS, Semi) hoặc do khác kết cấu lớn trong vùng lân cận của sàn, ví dụ một hàng rào dọc.

11.3.7.3 Khi chuyển động sĩng bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các kết cấu lớn, vận tốc tác động chất lỏng và gia tốc nên được tính bằng cách phân tích nhiễu xạ.

11.3.7.4 Khi một đỉnh sĩng chạm sàn, các chuyển động trong sĩng dưới sàn được ảnh hưởng mạnh mẽ bởi chính sàn đĩ. Một dịng phun ảnh hưởng cĩ thể xảy ra, tăng vận tốc hạt chất lỏng ngang với giá trị cao hơn cả vận tốc pha của sĩng. vận tốc tăng này cần được tính tốn cho đến khi đánh giá tải trên các vật cản nằm trong một khu vực bên dưới sàn tàu. Việc mở rộng theo chiều dọc của trường vận tốc nhiễu loạn là phụ thuộc vào độ trơn của kết cấu, ví dụ bể đáy hoặc dầm, và ngâm của kết cấu.

11.4 Tải tác động do sĩng lên kết cấu mảnh 11.4.1 Phương pháp rút gọn 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