75 Tải trọng sóng có thể được xác định dựa trên việc mô tả sóng tiền định hoặc ngẫu
nhiên;
Hai phương pháp thích hợp để tính toán gần đúng lực sóng và dòng chảy là lý thuyết nhiễu xạ và phương trình Morison. Trong tính toán cần phải chú ý đầu đủ tới tính gần đúng và hạn chế của chúng;
+ Khi 0.2 1
D
, kích thước công trình là đáng kể, một phần của sóng tới sẽ bị phản xạ lại gây lên hiện tượng nhiễu xạ. Do đó cách xác định tải trọng sóng trong trường hợp này dựa trên lý thuyết sóng nhiễu xạ;
+ Khi 0.2
D
, kích thước công trình không ảnh hưởng đến chế độ chuyển động của sóng tới. Do đó cách xác định tải trọng sóng trong trường hợp này có thể sử dụng phương trình Morison;
Việc lựa chọn cách mô tả sóng dùng trong thiết kế một cách thích hợp (về mặt lý thuyết) cần được xem xét cho từng vùng biển. Cần tính đến hiệu ứng của sóng nước nông. Sự hạn chế của lý thuyết sóng sử dụng phải được xem xét một cách thích đáng;
Theo tiêu chuẩn TCVN 6170-2:1998 - Lý thuyết sóng đơn khi 0,1
h
- Lý thuyết sóng Stokes bậc 5 khi 0,1 0,3
h
- Lý thuyết sóng tuyến tính (hoặc lý thuyết sóng Stokes bậc 5) khi 0,3
h
- Trong đó:
+ h là chiều sâu mực nước tĩnh; + là chiều dài sóng.
Khi phải tính toán tải trọng sóng, trong một khoảng chu kỳ sóng để đảm bảo xác định chính xác phản ứng cực đại của kết cấu. Thông thường có thể dùng khoảng chu kỳ sóng để xác định như sau:
76 H T H 11 5 , 6 Trong đó: + H là chiều cao sóng, m; + T là chu kỳ sóng điều hoà, s;
Theo tiêu chuẩn API thì quy trình tính tải trọng tĩnh của sóng như sau:
Bước 1: Xác định chu kỳ thực của sóng, tính đến ảnh hưởng của dòng chảy (Tapp):
Khi có dòng chảy tác động cùng với sóng, thì khi dòng chảy cùng hướng sóng, sẽ làm cho chiều dài con sóng tăng lên, và ngược lại sẽ làm cho sóng giảm đi. Và như vậy chu kỳ sóng thực tế khác với chu kỳ sóng khi không có dòng chảy T. Nếu gọi V1 là vận tốc dòng chảy theo hướng sóng, d độ sâu nước tính toán nước biển. Khi
01 , 0 2 T g d thì có thể sử dụng công thức V gd T Tapp . 1 1 . Khi tỉ số 2 0,01 T g d thì có thể tính theo đồ thị Hình 2.3.1-2 API RP 2A WSD;
Từ chu kỳ Tapp, chiều cao sóng H và độ sâu nước d, có thể xác định được các thông số động học của sóng phẳng đều bằng cách áp dụng các lý thuyết sóng thích hợp, có thể sử dụng đồ thị Hình 2.3.1-2 API RP 2A WSD theo các đại lượng 2
app
T
g
H
và
2
app
T
g
d
Bước 2: Xác định chuyển động của hai chiều của sóng từ các lý thuyết sóng phù hợp với chiều cao, chu kỳ và độ sâu nước tại nơi xây dựng công trình.
Bước 3: Các thành phần vận tốc, gia tốc theo phương ngang của sóng được điều chỉnh bằng các hệ số động học, do kể tới ảnh hưởng của chuyển động sóng (Kinematic Factor).
Bước 4: Điều chỉnh chuyển động của dòng chảy bằng các hệ số cản.
Bước 5: Dòng chảy được cộng vector với chuyển động sóng để có được vận tốc và gia tốc tới của phần tử nước dùng trong phương trình Morison.
77
Bước 6: Điều chỉnh kích thước của thanh do sinh vật biển.
Bước 7: Xác định các hệ số cản vận tốc và hệ số quán tính CD và CI. Các hệ số này đều là các hệ số thực nghiệm. Hệ số cản CD có thể coi như một hàm của số Reynold (Re), số Keulegan Carpenter (Kc) và độ nhám (R).
Bước 8: Tính toán tải trọng sóng
Phương trình Morison là phương trình cho phép tính tải trọng sóng F(t), có giá trị
phân bố trên đơn vị dài của phần tử kết cấu (dạng trụ mảnh) gồm các thành phần lực gia tốc và vận tốc: x V.a g w m C x V x V A 2g w D C I F D F F ( N ) Trong đó:
+ w: Khối lượng riêng của nước biển, w = 1025Kg/m3; + g: Gia tốc trọng trường, g = 9,81m/s2;
+ A: Diện tích mặt cắt ngang của phần tử kết cấu, m2;
+ V: Thể tích choán nước của phần tử trên một đơn vị chiều dài, m2; + CD : Hệ số cản vận tốc phụ thuộc vào bề mặt của phần tử;
+ Cm : Hệ số nước kèm;
+ D : Đường kính ngoài của phần tử có kể đến hà bám, m;
+ Vx : Thành phần vector vận tốc chiếu lên phương vuông góc với trục của phần tử (m/s):
Vx = Vxsóng + Vxd/c (m/s)
ax : Thành phần gia tốc chiếu lên phương vuông góc với trục của phần tử và bỏ qua thành phần gia tốc của dòng chảy.
Theo tiêu chuẩn DnV:
Theo tiêu chuẩn DnV tải trọng sóng và dòng chảy được tính toán đồng thời, lực tác dụng trên một đơn vị chiều dài là:
78 Trong đó:
+ FD là lực cản vận tốc trên một đơn vị chiều dài; + FI là lực cản quán tính trên một đơn vị chiều dài Với: FD = 0,5ϕCD.D|V-r’|(V-r’)
FI = ϕA(CIV’-CAr’’) Trong đó:
o ϕ : Khối lượng riêng của nước;
o D: Đường kính hoặc bề ngang của vật chắn;
o A: Diện tích mặt cắt ngang của phần tử; o CD : Hệ số cản;
o CI : Hệ số quán tính;
o V: Vận tốc của nước vuông góc với trục phần tử; o V’: Gia tốc của nước vuông góc với trục phần tử; o r’ : Vận tốc của phần tử vuông góc với trục của nó; o r’’: Vận tốc của phần tử vuông góc với trục của nó;
