Khối l−ợng n−ớc kèm

Sau đây ta sẽ trình bμy cách xác định khối l−ợng n−ớc kèm.

      Hình 6: Mô hình tính khối l−ợng n−ớc kèm

Với 1 thanh xiên FG bất kì, hệ toạ độ 0’xyz nh− hình vẽ trên, thì theo tμi liệu Compliant Offshore Structures, khối l−ợng n−ớc kèm đ−ợc tính nh− sau:

Điểm F, G có toạ độ F(x1,y1,z1) , G(x2,y2,z2) Thanh FG có đ−ờng kính D

Chiều dμi thanh L = (x2x1)2 (y2 y1)2(z2 z1)2 Cosin chỉ ph−ơng cos = L x x2  1 , cos = L y y2  1 , cos= L z z2 1

Với 1 gia tốc đơn vị song song với trục x sẽ sinh ra 2 thμnh phần gia tốc: song song vμ vuông góc với trục thanh. Chỉ thμnh phần gia tốc vuông góc với trục thanh mới tạo lực n−ớc kèm đáng kể (significant added mass force). Chú ý rằng khối l−ợng n−ớc kèm chính bằng lực n−ớc kèm cho một gia tốc đơn vị.

Do đó, đối với 1 gia tốc đơn vị song song trục Ox, thμnh phần gia tốc vuông góc với trục thanh sẽ lμ: 1. sin = sin vμ lực n−ớc kèm theo h−ớng nμy lμ: k1.sinThμnh phần lực k1.sinchiếu xuống Ox sẽ lμ k1.sin2vμ thμnh phần của k1.sinchiếu xuống Oy lμ

Chiếu xuống Oz :

(k1.sincos’ =  k1.sincotcos k1cos cos  Trong đó k1 = .Cm.D2 .L/4       mật độ n−ớc biển,  = 1025 kg/m3

Cm : hệ số khối l−ợng n−ớc kèm, Cm = CI – 1 Theo API với ống nhẵn CI = 1.6  Cm = 0.6 Với ống nhám (có hμ bám) CI = 1.2  Cm = 0.2

Tóm lại khối l−ợng n−ớc kèm của 1 thanh bất kì của công trình trong phần ngập n−ớc nh− sau:

mx = k1sin2

my = - k1coscos      mz = - k1coscos

Sau khi tính đ−ợc khối l−ợng n−ớc kèm của các thanh ta sẽ chia về 2 đầu nút của thanh đó để nhập vμo sơ đồ kết cấu trong SAP2000 .

Nhận xét : ta thấy rằng tính khối l−ợng n−ớc kèm theo ph−ơng pháp nμy (ph−ơng pháp tính chính xác) thì tại 1 nút khối l−ợng n−ớc kèm theo 3 ph−ơng sẽ khác nhau.

Mực n−ớc để tính n−ớc kèm lμ MNTT, dtt = 101.9(m) D−ới đây tổng hợp các loại khối l−ợng cho các ph−ơng án:

Bảng 1.20: Bảng tổng hợp các loại khối l−ợng cho ph−ơng án kết cấu tối thiểu:

Khối l−ợng(T)

Ph−ơng án

PA1.1 PA1.2 PA1.3

Bơm trám 26.385 28.697 28.7

Hμ bám 883.198 848.32 815.13

N−ớc trong cọc 138,56 140.89 140.89

Khối l−ợng(T) Ph−ơng án PA2.1 PA2.2 Bơm trám 527.204 506.36 Hμ bám 1078.14 970.41 N−ớc trong cọc 378.113 309.485 3.2.4 Kết quả tính toán

Sau khi khai báo khối l−ợng qui đổi về các nút vμo sơ đồ kết cấu của ch−ơng trình Sap2000 ta tìm đ−ợc kết quả dạng dao động riêng lớn nhất của các ph−ơng án nh− sau. Kết quả nμy đã đ−ợc thống kê trong mục Phân tích lựa chọn ph−ơng án

Bảng 1.22: Kết quả tính toán DĐR cho ph−ơng án kết cấu tối thiểu:

Chu kỳ dao động riêng

PA 1.1 PA 1.2 PA 1.3

Tddr = 1.545(s) Tddr = 1.5807 (s) Tddr = 1.57(s)

Bảng 1.23: Kết quả tính toán DĐR cho ph−ơng án kết cấu truyền thống:

Chu kỳ dao động riêng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

PA 2.1 PA 2.2

Tddr = 1.271(s) Tddr = 1.2974(s)

Theo tính toán nμy ta nhận thấy các ph−ơng án đều có chu kỳ dao động riêng nhỏ hơn 3(s). Nh− vậy trong tính toán ta có thể tính toán tựa tĩnh có kể tới ảnh h−ởng động thông qua hệ số kđ.

Từ kết quả tính toán chu kì DĐR, ta suy ra kết quả tính toán hệ số kđ cho hai ph−ơng án đ−ợc đem ra để so sánh lựa chọn tiếp (PA1.3 vμ PA 2.2) nh− sau:

  / /1 kđ1.3

0.5528 4.002 0.08 0.138 1.019

  / /1 kđ2.2

3.3 Tính toán tải trọng

3.3.1 Các loại tải trọng tác dụng lên CTB cố định bằng thép a. Tải trọng th−ờng xuyên a. Tải trọng th−ờng xuyên

Tải trọng th−ờng xuyên bao gồm:  Trọng l−ợng bản thân công trình  Trọng l−ợng trang thiết bị cố định

 áp lực thuỷ tĩnh của n−ớc (đ−ợc tính với mực n−ớc tĩnh trung bình)

b. Tải trọng tạm thời

Tải trọng tạm thời lμ toμn bộ các tải trọng phát sinh do quá trình vận hμnh của công trình. Nó có thể thay đổi cả về giá trị vμ vị trí. Bao gồm các loại tải nh− sau:

 Tải trọng phát sinh trong quá trình hoạt động công nghệ nh−: khoan, sản xuất vμ chứa đựng các sản phẩm, cất vμ nâng hạ cánh của máy bay

 Trang thiết bị có thể thay đổi hay di chuyển  Vật t− khác (n−ớc ngọt, dầu )

c. Tải trọng do biến dạng

Tải trọng phát sinh do sự chênh lệch nhiệt độ giữa trong vμ ngoμi môi tr−ờng. Tải trọng phát sinh do sự lún không đều của kết cấu.

d. Tải trọng do sự cố

Công trình biển th−ờng xuyên phải đứng tr−ớc nguy cơ hứng chịu các sự cố nh−: va chạm, vật rơi, cháy nổ, va chạm của tμu thuyền khi cập, băng trôi, vμ nhiều nguyên nhân khác nữa.

e. Tải trọng đặc biệt

Bao gồm các loại tải trọng do địa chấn hoặc do sóng thần, băng trôi. Trong phạm vi đồ án ta bỏ qua loại tải trọng nμy.

f. Tải trọng môi tr−ờng

Tải trọng môi tr−ờng luôn lμ các tải trọng quan trọng nhất, trội nhất trong tính toán thiết kế công trình biển. Tải trọng môi tr−ờng tác động lên công trình lμ các loại tải trọng có trị số rất lớn vμ tính thay đổi ngẫu nhiên. Tải trọng môi tr−ờng chỉ có thể đ−ợc dự tính bằng

ph−ơng pháp xác suất.Tải trọng môi tr−ờng tác dụng lên dμn khoan do các hiện t−ợng tự nhiên bao gồm: sóng, gió, dòng chảy. Tải trọng môi tr−ờng cũng bao gồm cả sự thay đổi áp lực thủy tĩnh vμ lực đẩy nổi lên phần tử do sự thay đổi của mực n−ớc d−ới sự biến động của thủy triều, n−ớc dâng, sóng vμ dòng chảy.

Các giá trị tính toán của gió, sóng vμ dòng chảy phải đ−ợc giả thiết lμ tồn tại đồng thời theo cùng một h−ớng.

3.3.2 Tính toán các loại tải trọng

Phần tải trọng từ th−ợng tầng truyền xuống khối chân đế (gió, bản thân, th−ợng tầng, hoạt tải, ) đ−ợc truyền qua những điểm liên kết giữa khối chân đế vμ th−ợng tầng ở dạng tập trung. Giả thuyết các liên kết giữa KCĐ vμ th−ợng tầng lμ tuyệt đối cứng.

Phần tải trọng tác dụng trực tiếp lên khối chân đế bao gồm: tải trọng sóng, tải trọng dòng chảy, tải trọng gió, tải trọng cập tμu, tải trọng do áp lực thuỷ tĩnh, lực đẩy nổi, trọng l−ợng hμ bám.

+ Tải trọng do gió: Qui về tải trọng tập trung tại trọng tâm của từng phần diện tích tính toán.

+ Tải trọng sóng, dòng chảy: Tác dụng phân bố trên từng đoạn thanh t−ơng ứng với các khoảng cách ta chia để tính toán. Ta coi tải trọng đ−ợc phân bố từng đoạn trên thanh + áp lực thuỷ tĩnh: Chỉ tác dụng lên những thanh rỗng không chứa n−ớc. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

+ Tải trọng cập tμu: Tính trong tr−ờng hợp bình th−ờng cho phép tμu cập vμo công trình Trong phạm vi đồ án nμy ta bỏ qua các loại tải trọng đặc biệt, tải trọng do sự cố, do biến dạng vμ chỉ xét đến tác động của tải trọng môi tr−ờng vμ tải trọng do bản thân kết cấu kể cả các loại tĩnh tải, hoạt tải. D−ới đây trình bμy chi tiết lí thuyết vμ kết quả tính toán cho tải trọng môi tr−ờng.

a. Tải trọng gió

Tải trọng do gió tác dụng lên những phần công trình nằm phía trên mực n−ớc biển. Bản chất của tải trọng gió lμ động, nh−ng qua thực nghiệm cho thấy rằng tải trọng gió chỉ chiếm khoảng 10% tổng tải trọng môi tr−ờng tác dụng lên công trình nên trong tính toán ng−ời ta coi tải trọng gió lμ tĩnh.

+ Công thức xác định tải trọng gió theo qui phạm API: F (/2g)*V2Cs*A (N)

Trong đó:

F: lực gió tác dụng lên kết cấu.

: khối l−ợng riêng của không khí, trong điều kiện tiêu chuẩn  = 1.211 kg/m3 V: Vận tốc gió trung bình tại độ cao z so với mực n−ớc chuẩn (m/s).

V = V(Z) = 8 1 10 10 .       Z V

V10: Vận tốc gió tại độ cao 10m so với mực n−ớc chuẩn (vận tốc gió đo đ−ợc) (m/s) Z: độ cao cần xác định vận tốc (m)

A: diện tích của vật cản (m2)

Cs : hệ số khí động, theo qui phạm API thì Cs có thể lấy nh− sau:

Bảng 1.24: Bảng hệ số khí động theo tiêu chuẩn API:

Loại kết cấu CS

Kết cấu nhμ 1.5

Kết cấu trụ tròn 0.5

Sμn công tác của dμn khoan 1

* Phân chia khối tính toán.

+ Phần th−ợng tầng chia thμnh 3 modul để tính tải trọng gió, bao gồm: - Khối thiết bị công nghệ: Cs = 1.0

- Khối sân bay: Cs = 1.0

Tải trọng gió phần th−ợng tầng tính theo mực n−ớc tĩnh thấp nhất. Kết quả tính toán tải trọng gió cho kết cấu th−ợng tầng với từng block đ−ợc quy về bốn nút của khung sμn chịu lực, bao gồm tải trọng tập trung vμ ngẫu lực.

+ Đối với tải trọng gió tác dụng lên phần kết cấu chân đế sẽ đ−ợc tính toán bởi ch−ơng trình Sap2000 Ver10.

Bảng tính toán kết quả tải trọng gió (NE) cho kết cấu phần th−ợng tầng qui về nút nh− sau:

Bảng 1.25: Kết quả tính toán tải trọng gió cho kết cấu th−ợng tầng qui về nút:

Ph−ơng TT Ftty(T) MxI MyI Fttx(T) Tải trọng (T) 18.163 77.3744 108.978 12.895

Bảng tính tải trọng gió cho kết cấu th−ợng tầng theo h−ớng NE đ−ợc cho trong P.Lục7

b. Tải trọng sóng, dòng chảy

Tải trọng môi tr−ờng (bao gồm tải trọng sóng, dòng chảy vμ tải trọng gió) luôn lμ các tải trọng quan trọng nhất, trội nhất trong tính toán thiết kế công trình biển. Tải trọng môi tr−ờng tác động lên công trình lμ các loại tải trọng có trị số rất lớn vμ tính thay đổi ngẫu nhiên. Tải trọng môi tr−ờng chỉ có thể đ−ợc dự tính bằng ph−ơng pháp xác suất.

 Mô hình tính toán tải trọng sóng, dòng chảy

Tác động của dòng chảy lên công trình đ−ợc biểu diễn bởi yếu tố vận tốc. Vận tốc dòng chảy, trong thực tế tính toán đ−ợc xem lμ một đại l−ợng không thay đổi theo thời gian. Vì vậy khi chỉ có tác động của dòng chảy (không kể sóng) thì tải trọng do dòng chảy gây ra đ−ợc coi lμ tải trọng tĩnh. Khi tính đồng thời tác động của sóng vμ dòng chảy, thì ảnh h−ởng của dòng chảy đ−ợc bổ sung vμo thμnh phần vận tốc của tải trọng sóng. Vì thμnh phần tải trọng do vận tốc gây ra có chứa bình ph−ơng vận tốc, nên sự tham gia của dòng chảy cũng lμm tăng đáng kể cho tải trọng sóng.

Tác động của sóng lên công trình biển mang bản chất động vμ lμ trội tuyệt đối trong tổng tải trọng ngang tác dụng lên kết cấu khối chân đế (chiếm khoảng 85% tổng tải trọng ngang). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Tùy theo tính chất của lực sóng tác dụng mμ các phần tử của kết cấu ngoμi biển đ−ợc chia thμnh vật thể mảnh vμ vật thể có kích th−ớc lớn. Đối với vật thể mảnh thì lực quán tính vμ lực cản của sóng lμ đáng kể, còn đối với vật thể lớn thì ảnh h−ởng của nhiễu xạ lại đóng vai trò quyết định. Đối với các phần tử kết cấu thép của khối chân đế có D/L < 0,2 nên đ−ợc coi lμ những vật thể mảnh.

Trong đó:

D - đ−ờng kính của vật thể. L – chiều dμi b−ớc sóng.

Tải trọng do sóng vμ dòng chảy đ−ợc tính toán dựa theo ph−ơng trình Morison, với các giả thiết:

Đây lμ loại kết cấu có đ−ờng kính phần tử lμ nhỏ so với chiều dμi sóng Bỏ qua sự biến dạng hình dáng của sóng khi t−ơng tác với các phần tử

Theo tính phi tuyến của lực cản vận tốc với vận tốc trong công thức Morison, do vậy tuyệt đối không đ−ợc tính tải trọng sóng vμ dòng chảy riêng, sau đó đem cộng lại mμ cần tổng hợp vận tốc của sóng vμ dòng chảy lại, sau đó mới sử dụng công thức Morison để xác định tải trọng sóng – dòng chảy lên KCĐ.

Công thức Morison: D I d x x .I .V.ax g w . C V . V . A . g w . C F F F 2 2     Trong đó:

w: Trọng l−ợng riêng của n−ớc biển (w = 1.025T/m3) g: Gia tốc trọng tr−ờng (g = 9.81m/s2).

A: Diện tích chiếu vuông góc lên trục phần tử kết cấu trên 1 đơn vị chiều dμi. V: Thể tích choán n−ớc của phần tử trên 1 đơn vị chiều dμi (m3).

Cd: Hệ số cản vận tốc

CI: Hệ số quán tính: CI = 1 + Cm (Cm lμ hệ số n−ớc kèm) + Đối với vùng trên mực n−ớc tính toán, không có hμ bám thì:

Cd = 0.65, CI = 1.6 (API) + Đối với vùng ngập n−ớc có hμ bám thì:

Cd = 1.05, CI = 1.2 (API) D: đ−ờng kính ngoμi của phần tử (có kể đến hμ bám).

Vx: thμnh phần vector vận tốc chiếu lên vuông góc với trục của phần tử (do sóng vμ dòng chảy)

Vx = Vxsóng + Vxd/c (m/s).

+ Dòng chảy đ−ợc xác định trên cơ sở các giả thiết sau:

- Ta xét công trình trong điều kiện công trình không ảnh h−ởng đến chuyển động của dòng chảy.

Dòng chảy biển do hai chuyển động chủ yếu gây nên, dòng chảy do thuỷ triều vμ dòng chảy do gió. Chính vì vậy vận tốc dòng chảy tại độ sâu z đ−ợc xác định theo công thức sau:

vdc(z)vdg(z)vdt(z) Trong đó:

vdg(z): Lμ vận tốc dòng chảy do gió theo chiều sâu đ−ợc xác định nh− sau:

g og dg dg d z d v z v 0 ) 0 ( ) (   nếu z[0;dog] vdg(z)0 nếu zdog Với:

vdg(z): Vận tốc dòng chảy mặt do gió ở độ sâu z.

dog: Chiều sâu chịu ảnh h−ởng của tác động gió, ta th−ờng lấy theo DnV lμ: dog = 50 (m), ở độ sâu d−ới do coi nh− gió không gây ra dòng chảy.

vdt(z): Vận tốc dòng chảy do thuỷ triều lên xuống theo chiều sâu, xác định theo công thức sau: 7 1 0 / dt dt d z d ) ( v ) z ( v          , z < 0 Trong đó: vdt(0): Vận tốc dòng chảy do triều ở mực n−ớc lặng. D: Chiều sâu n−ớc biển.

Do số liệu quan trắc đ−ợc dùng cho thiết kế đã tổng hợp từ hai vận tốc dòng chảy do gió vμ dòng chảy đối với vận tốc mặt vμ vận tốc đáy. Chính vì vậy vận tốc dòng chảy tại các độ sâu z theo 2 ph−ơng x,y đ−ợc xác định theo quy luật tuyến tính, dựa theo công thức sau: (d z) d v v v ) z ( v m d d dc           Trong đó:

vm: Vận tốc dòng chảy mặt sau khi chiếu lên các ph−ơng (m/s). vd: Vận tốc dòng chảy đáy sau khi chiếu lên các ph−ơng (m/s). d: Độ sâu n−ớc biển (m).

z: Độ sâu tính toán

Chọn hệ toạ độ có gốc toạ độ tại mặt biển, trục z có chiều d−ơng h−ớng lên.

ax: thμnh phần gia tốc chiếu lên vuông góc trục phần tử, bỏ qua thμnh phần gia tốc do dòng chảy.

Trong công thức Morison số hạng đầu thể hiện thμnh phần lực cản vận tốc, số hạng thứ hai thể hiện thμnh phần lực quán tính. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Thực tế hầu hết các thanh trong KCĐ đều nằm xiên trong không gian nên ta xét tải trọng lên đoạn thanh xiên bất kỳ theo ph−ơng trình Morison nh− sau:

Trong các công trình nghiên cứu ng−ời ta phân tích vận tốc vμ gia tốc của chất lỏng thμnh các thμnh phần pháp tuyến vμ tiếp tuyến so với trục của thanh vμ chỉ sử dụng thμnh phần vận tốc vμ gia tốc theo ph−ơng pháp tuyến để tính toán tải trọng phân bố theo công thức Morison. Tải trọng sóng lên thanh xiên h−ớng theo pháp tuyến đối với trục của thanh. Nh−ng để đơn giản hoá cho tính toán thực hμnh, thuận tiện hơn cả lμ thể hiện nó qua các thμnh phần theo ph−ơng ngang (x,y) vμ ph−ơng đứng (z).

Xét một phần tử thanh có vị trí bất kỳ trong không gian với hệ toạ độ oxyz:

n x z y  

Hình 6: Phần tử thanh có vị trí bất kỳ trong không gian

Giả sử h−ớng lan truyền sóng trùng với trục x, chuyển động của n−ớc có liên quan đến