Phân tích động

8 Tải trọng giĩ

8.6 Phân tích động

8.6.1 Phân tích giĩ động

8.6.1.1 Một phân tích giĩ động chi tiết xét theo sự thay đổi của lực giĩ phải được thực hiện với dụng cụ phơi giĩ và các đối tượng nhạy để thay đổi tải trọng giĩ. Thơng thường, các tháp cao, cần đốt, các giàn như giàn chân căng và giàn neo bằng xích phải được xem xét phân tích.

8.6.1.2 Thành phần thay đổi theo thời gian của tải giĩ cĩ thể gây ra sự cộng hưởng tần số thấp chuyển động dâng, xoay, lắc của các giàn nổi neo bằng xích. Lực giĩ tần số thấp được tính tốn tử một phổ năng lượng giĩ.

8.6.1.3 Sự thay đổi giĩ giật của vùng giĩ cĩ thể được miêu tả là tổng của một thành phần giĩ dài hạn và một thành phần giĩ giật. Vận tốc dao động giĩ giật cĩ thể được miêu tả bằng một phổ giĩ giật được cho trong mục 5.

8.6.1.4 Sự tương quan (phân phối) theo thời gian của giĩ giật trên một mặt vuơng gĩc với hướng giĩ dài hạn cĩ thể được miêu tả bởi một hàm kết hợp sử dụng hệ số giảm ngang, vuơng gĩc với hướng giĩ dài hạn và một hệ số giảm đứng.

8.6.1.5 Lực giĩ tức thời lên kết cấu chịu tác động giĩ cĩ thể được tính tốn bằng tổng của lực giĩ tức thời lên mỗi thành phần chịu tác động giĩ. Áp lực giĩ tức thời q được tính bằng cơng thức: , , 1 | | ( ) 2 a T z T z q  U  u x U  u x (207) Trong đĩ:

u - tốc độ và sự thay đổi hướng giĩ giật;

,

T z

U - tốc độ giĩ trung bình;

x - vận tốc tức thời của phần tử kết cấu.

8.6.1.6 Đối với những tính tốn theo miền thời gian, lịch sử thời gian của vận tốc giĩ theo phổ được cho trong mục 5 cĩ thể được sử dụng kết hợp với các tính tốn lực trong 8.6.1.5để thành lập lịch sử thời gian lực giĩ.

8.6.1.7 Khi sử dụng một tính tốn miền tần số, áp lực giĩ tức thời cĩ thể tuyến tính hĩa:

2

, ,

1

2 a T z a T z

đối với kết cấu cĩ vận tốc x khơng đáng kể với vận tốc giĩ. Lực giĩ dao động là tuyến tính với vận tốc dao động.

8.6.1.8 Trong phân tích miền tần số, nghiệm số cĩ thể lấy được bằng cách nhân mật độ phổ của tải giĩ động với hàm truyền phản ứng.

8.6.1.9 Trong phân tích miền tần số, một cơng thức mốt được áp dụng. Phản ứng mốt cĩ thể được kết hợp với phương pháp Căn bậc hai của tổng bình phương (Square-Root-of- Sum-of-Squares - SRSS) nếu các mốt khơng cĩ sự tương quan. Trong trường hợp các mốt cĩ chu kỳ gần với nhau, phương pháp tổ hợp căn bậc hai được áp dụng.

8.6.1.10 Phương pháp SRSS giả định tất cả giá trị mốt lớn nhất khơng lệ thuộc vào nhau. Phương pháp CQC giả định tất cả giá trị mốt lớn nhất xảy ra tại cùng một điểm theo thời gian. Giá trị đỉnh của tải trọng được xác định bởi cơng thức:

n nm m

n m

F   f  f (209)

trong đĩ: fn là lực mốt tương ứng với mốt n và tổng là tồn bộ mốt. Hệ số chồng mốt nm

và độ giảm hằng số  . 2 3/ 2 2 2 2 2 8 (1 ) 4 (1 ) (1 ) nm r r r r r         (210) trong đĩ: rlà tỉ số giữa các mốt tần số r n/ m1.

8.6.1.11 Tất cả những ảnh hưởng tương đương như giảm chấn kết cấu, giảm khí động học và giảm thủy động lực phải được xem xét tới trong quá trình phân tích.

8.6.1.12 Đối với thiết kế kết cấu, hiệu ứng tải trọng cực đại do giĩ tĩnh và động cĩ thể được đánh giá bằng: ( ) e s F F g f (211) Trong đĩ: s

F - phản ứng tĩnh do tốc độ giĩ trung bình thiết kế;

( )f

 - độ lệch tiêu chuẩn của phản ứng động kết cấu;

g - hệ số đỉnh phản ứng giĩ.

8.7 Mơ hình thử

Dữ liệu thu được từ mơ hình tin cậy và đầy đủ được khuyến nghị cho việc xem xét áp lực và kết quả tải trọng lên kết cấu cĩ hình dạng phức tạp.

Giĩ thực phải được mơ hình hĩa để giải thích sự thay đổi của tốc độ giĩ trung bình với độ cao trên mặt đất hoặc mặt biển và mức độ nhiễu loạn của giĩ.

8.8 Tính tốn động chất lỏng

Tải trọng giĩ lên kết cấu cĩ thể được tính tốn sử dụng tính tốn động chất lỏng - Computational Fluid Dynamics (CFD), giải quyết phương trình Navier Stokes cho chuyển động khơng khí, tính tốn độ nén và ảnh hưởng nhiễu loạn. Một trong đĩ phải được biết khi áp dụng CFD để tính tốn lực giĩ lên kết cấu.

- Kết quả cĩ thể phụ thuộc mạnh vào mơ hình nhiễu loạn được sử dụng;

- Vận tốc vùng giĩ đầu vào phải được mơ hình hĩa bao gồm các ảnh hưởng lớp biên; - Phần hở ra của kết cấu phải là một phần nhỏ của khu vực chảy ra miền tính tốn;

- Độ rõ lưới phải ít nhất bằng 10 ơ trên căn bậc hai của thể tích kết cấu và ít nhất 10 ơ trên khoảng chia giữa các kết cấu;

- Nghiên cứu hội tụ lưới phải được tiến hành;

- Kết quả phải cịn thời hạn với kết quả thử ống giĩ.

9 Tải trọng do sĩng và dịng chảy lên phần tử mảnh 9.1 Quy định chung 9.1 Quy định chung

9.1.1 Lực cục bộ lên kết cấu mảnh

Lực thủy động được áp dụng lên kết cấu mảnh chịu tác động của một dịng chất lỏng chung cĩ thể được xác định bằng tổng các lực cục bộ lên từng phần của kết cấu. Véc tơ lực nĩi chung lên một phần cĩ thể được tách rời thành lực pháp tuyến fN, lực tiếp tuyến

T

f và lực nâng fL vuơng gĩc với cả fN và fN, xem Hình 17.

9.1.2 Cơng thức tải trọng Morrison

9.1.2.1 Đối với phần tử kết cấu mảnh cĩ kích thước mặt cắt ngang đủ nhỏ để gra-đi-en của vận tốc và gia tốc phần tử chất lỏng theo hướng vuơng gĩc với phần tử bị bỏ qua, tải trọng sĩng cĩ thể được tính tốn bằng việc sử dụng cơng thức Morrision cĩ tổng là một lực quán tính tương ứng với gia tốc và một lực cản tương ứng với bình phương vận tốc.

9.1.2.2 Cơng thức tải trọng Morrsion được áp dụng khi thỏa mãn điều kiện:

5D

  (212)

Trong đĩ  là bước sĩng và D là đường kính hoặc kích thước mặt cắt của phần tử. Khi chiều dài của phần tử lớn hơn nhiều so với kích thước ngang, tác dụng cĩ thể bỏ qua và tổng lực cĩ thể lấy bằng tổng lực của từng mặt cắt dọc theo chiều dài phần tử.

9.1.2.3 Đối với điều kiện kết hợp sĩng và dịng chảy, vận tốc phần tử do sĩng và dịng chảy phải được bổ sung đại lượng véc tơ. Nếu cĩ sẵn, việc tính tốn tồn bộ vận tốc và gia tốc phần tử dựa trên lý thuyết chính xác sự tương tác sĩng/dịng chảy được ưu tiên hơn. 9.1.3 Định nghĩa thành phần lực Hệ số cản CD là lực cản khơng thứ nguyên:   drag 2 1 v 2 D f C D (213) Trong đĩ: drag f - lực cản cục bộ (N/m);  - mật độ chất lỏng (kg/m3);

D - đường kính (hoặc kích thước đặc trưng) (m); v - vận tốc (m/s).

Véc tơ vận tốc chất lỏng sẽ cĩ hướng tương ứng với trục của phần tử mảnh (Hình 17). Lực cản fdrag tách thành lực pháp tuyến fN và lực tiếp tuyến fT

Hệ số nước kèm CA là khối lượng nước kèm khơng thứ nguyên:

  A a m C A (214) Trong đĩ: a

m - khối lượng nước kèm trên đơn vị dài (kg/m);  - diện tích mặt cắt ngang (m2);

Hệ số khối lượng được định nghĩa là:

M 1 A

C  C (215)

Hệ số nâng được định nghĩa là lực nâng khơng thứ nguyên:

  lift 2 1 v 2 L f C D (216) Trong đĩ: lift f - lực nâng cục bộ (N/m).

Hình 17 - Định nghĩa lực pháp tuyến, lực tiếp tuyến và lực nâng của phần tử mảnh 9.2 Lực pháp tuyến

9.2.1 Kết cấu cố định chịu tác động sĩng và dịng chảy

Lực cục bộ fNlên kết cấu mảnh cố định trong dịng chảy hai chiều vuơng gĩc với trục phần tử được cho bằng: ( )(1 A) v1 v|v| 2 N D f t C A C D (217) Trong đĩ: v - xận tốc phần tử chất lỏng (sĩng và/hoặc dịng chảy) (m/s); v - gia tốc phần tử chất lỏng (m/s2); A - diện tích mặt cắt ngang (m2);

D - đường kính hoặc kích thước tiết diện đặc trưng (m);  - mật độ khối lượng của chất lỏng (kg/m3);

A

C - hệ số nước kèm (với diện tích mặt cắt ngang như diện tích tham chiếu);

D

C - hệ số cản.

9.2.2 Kết cấu di chuyển trong vùng nước tĩnh

Lực cục bộ fN lên kết cấu mảnh di chuyển trong vùng nước tĩnh cĩ được cho như sau:

    A 1 ( ) | | 2 N d f t C Ar C Dr r (218) Trong đĩ:

r - vận tốc của phần tử vuơng gĩc với trục (m/s);

r - gia tốc của phần tử vuơng gĩc với trục (m/s2);

d

C - hệ số cản thủy động học.

Lực cục bộ fN lên kết cấu mảnh di chuyển trong dịng chảy hai chiều khơng đều vuơng gĩc với trục phần tử cĩ thể thu được bằng tổng lực phân phối trong 9.2.1 và 9.2.2.

1 1

( ) (1 ) v+ v|v| r|r|

2 2

N A A D d

f t  C Ar C A C D  C (219) Cơng thức này là mơ hình miền dịng độc lập (independent flow field model). Trong phân tích phản ứng, để giải r r t ( ), lực do nước kèm:

A a

C Ar m r

  (220)

Cộng với khối lượng kết cấu nhân gia tốc.

9.2.4 Cơng thức vận tốc tương đối

Lực cục bộ cĩ thể được viết dưới dạng vận tốc tương đối:

1

( ) (1 ) v+ v|v

2

N A A D

f t  C Ar C A C D (221)

hoặc dưới một dạng tương đương khi gia tốc tương đối cũng được kể đến:

1 ( ) + v |v | 2 N A r D r r f t AaC Aa C D (222) Trong đĩ: a = v gia tốc chất lỏng (m/s2); r v = vr vận tốc tương quan (m/s); r

a = vr gia tốc tương quan (m2/s).

Khi sử dụng cơng thức vận tốc tương đối cho lực cản, lực cản thủy động lực bổ sung khơng nên được tính đến.

9.2.5 Tính áp dụng của cơng thức vận tốc tương đối

Việc sử dụng cơng thức vận tốc tương đối cho lực cản là hợp lý nếu r D/ 1, trong đĩ r

là biên độ chuyển vị phần tử và D là đường kính phần tử.

Nếu r D/ 1 sự phù hợp phụ thuộc vào giá trị của thơng số VR vTn/D. 20vTn/D Vận tốc tương đối đề xuất.

10vTn/D20 Vận tốc tương đối cĩ thể dẫn đến một đánh giá quá mức cản nếu chuyển vị ít hơn đường kính phần tử.

/ 10

n

vT D Được đề xuất để loại bỏ vận tốc kết cấu khi chuyển vị ít hơn một đường kính và sử dụng cơng thức cản trong 9.2.1.

Đối với mặt phẳng đứng đi qua phần từ trong vùng kết hợp sĩng và dịng chảy, vận tốc cĩ thể được tính:

v = vcHs/Tz vận tốc chất điểm xấp xỉ gần mặt sĩng (m/s); vc - vận tốc dịng chảy (m/s);

n

T - chu kỳ dao động kết cấu (s);

s

H - chiều cao sĩng đáng kể;

z

T - chu kỳ cắt khơng.

9.2.6 Lực cản pháp tuyến lên trụ nghiêng

9.2.6.1 Đối với hướng dịng từ 45o đến 90°, nguyên lý dịng vuơng gĩc được giả định. Lực pháp tuyến lên trụ trịn cĩ thể được tính tốn sử dụng thành phần pháp tuyến của vận tốc hạt nước.

vn v sin (223)

Trong đĩ  là gĩc giữa trục của trụ trịn và véc tơ vận tốc. Lực cản vuơng gĩc với trụ trịn được cho bởi:

1

v | v | 2

dN Dn n n

f  C D (224)

9.2.6.2 Về cơ bản CDn phụ thuộc vào số Reynolds và gĩc tác động. Dịng trước tới hạn và trên tới hạn CDn cĩ thể được lấy độc lập với . Đối với dịng tới hạn (Hình 21), CDn cĩ thể thay đổi mạnh với hướng dịng.

9.3 Lực tiếp tuyến lên trụ nghiêng 9.3.1 Quy định chung 9.3.1 Quy định chung

9.3.1.1 Đối với trụ trơn, lực cản tiếp tuyến chủ yếu do ma sát bề mặt và là nhỏ so với lực cản pháp tuyến. Tuy nhiên đối với các phần tử mảnh dài cĩ vận tốc tiếp tuyến tương đối, lực cản tiếp tuyến là đáng kể.

9.3.1.2 Lực cản tiếp tuyến trên đơn vị dài cĩ thể viết dưới dạng:

2

1 2

T Dt

f  C Dv (225)

trong đĩ: CDt là hệ số cản tiếp tuyến và v là độ lớn của tổng vận tốc. Lực tiếp tuyến cơ bản khơng tỉ lệ với bình phương của thành phần tiếp tuyến vận tốc vT vcos mặc dù được sử dụng trong các mã máy tính. Một vài mã máy tính cũng sử dụng hệ số ma sát bề mặt

Df

C được định nghĩa bằng cơng thức:

cos( )

Dt Df

9.3.1.3 Cơng thức dưới đây CDt cĩ thể được sử dụng phụ thuộc gĩc giữa véc tơ vận tốc và trục trụ:

( .sin ) cos

Dt Dn

C C m n   (227)

trong đĩ CDn là hệ số cản đối với dịng chảy vuơng gĩc. Các giá trị dưới đây cho m và n

được dựa trên dữ liệu đã được cơng bố.

m n

Cáp trần, trụ trơn 0,02 đến 0,03 0,04 đến 0,05

Cáp phẳng 0,25 đến 0,50 0,50 đến 0,25

Dây 6 tao 0,03 0,06

9.3.1.4 Đối với các ống đứng cĩ mặt gồ ghề, được khuyến cáo sử dụng m = 0,03 và

n = 0,055. Sự thay đổi của CDt với  cho những giá trị của m và n được cho trong Hình 18

Hình 18 - Sự thay đổi của CDt với gĩc 

9.4 Lực nâng 9.4.1 Quy định chung 9.4.1 Quy định chung

Lực nâng fL theo hướng vuơng gĩc với hướng dịng chảy chất lỏng, lên kết cấu mảnh cĩ thể do:

- Mặt cắt khơng đối xứng; - Ảnh hưởng rẽ nước; - Ảnh hưởng tường chắn; - Hiệu ứng xốy.

9.4.1.1 Mặt cắt bất đối xứng. Lực nâng và lực cản và momen xoắn lên kết cấu mảnh cĩ mặt cắt khơng đối xứng (tương đương với hướng dịng) cĩ thể dẫn đến biên độ dao động lớn.

9.4.1.2 Ảnh hưởng rẽ nước (wake effects). Dải vận tốc trong vùng rẽ nước của một hoặc vài trụ trịn là khơng đồng nhất. Vị trí dựa vào lực cản và lực nâng lên trụ trịn trong vùng rẽ nước cĩ thể gây ra dao động do rẽ nước (wake induced oscillations - WIO).

9.4.1.3 Ảnh hưởng tường chắn (wall effects). Dịng chảy khơng đối xưng lên một trụ trịn gần tường tạo ra một lực nâng khác khơng. Một khoảng hở hẹp giữa trụ trịn và tường dẫn đến gia tăng vận tốc và giảm áp lực tác động lên tường.

9.4.1.4 Hiệu ứng xốy. Lực nâng do dao động hiệu ứng xốy với tần số Strouhal. Hướng dẫn hiệu ứng xốy và xốy do dao động được cho trong mục 12.

9.5 Mơmen xoắn

Mơmen khơng nhớt trên đơn vị dài theo trục dọc của một tiết diện khơng trịn cĩ hai mặt đối xứng là: . . . 66 ( y z)( )(w ) t A A m  m A C C vy z (228) Trong đĩ: , v w - vận tốc hạt chất lỏng theo hướngy và z(m/s); . . ,

y z - vận tốc vuơng gĩc tiết diện theo hướngyvà z (m/s);

66

m - mơmen quán tính tiết diện (kg x m), xem phụ lục A;

.

 - gia tốc gĩc của mặt cắt (rad/s2);

,

y z A A

C C - hệ số khối lượng nước kèm theo hướng y và z.

Việc phân tích phản ứng số hạng mt  m66. cộng với mơmen quán tính nhân với gia tốc gĩc theo phương tay trái của phương trình chuyển động.

9.6 Hệ số thủy động học đối với dịng chảy đều 9.6.1 Thơng số điều chỉnh 9.6.1 Thơng số điều chỉnh

9.6.1.1 Khi sử dụng cơng thức tải trọng Morrison để tính tải trọng động học lên kết cấu, nên đưa vào tính tốn tham số CD và CA như hàm của Re, số Keulegan-Carpenter và độ nhám:

CD CD(R Ke, C, ) (229)

CA C R KA( e, C, ) (230)