Khi một công trình bến đợc làm bằng một kết cấu nổi, phải lấy các lực sau đây trong tính toán thiết kế: lực kéo của gió, lực kéo của dòng chảy, lực do sóng kích thích, lực trôi giạt do sóng, lực cản do gío, lực hồi phục, và lực neo. Các lực này phải tính bằng một phơng pháp giải tích thích hợp, hoặc bằng thí nghiệm mô hình thuỷ lực, phù hợp với phơng pháp neo vật nổi và kích thớc cuả công trình.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Lực kéo của gió
Với một kết cấu mà một phần của vật nổi ở trên mặt nớc, gió sẽ tác động một lực lên kết cấu. Lực này đợc gọi là lực kéo do gió (hoặc áp suất gió) và gồm có lực kéo áp suất và lực kéo ma sát.
Nếu vật nổi tơng đối nhỏ về kích thớc, lực kéo áp suất sẽ trội hơn. Lực kéo áp suất tỷ lệ với bình phơng của vận tốc gió và đợc biểu thị nh trong phơng trình sau :
Trong đó :
FW : lùc kÐo do giã (N)
ρa : tỷ trọng của không khí (1,23 kg/m3)
AW :diện tích chiếu của phần vật nổi ở trên mặt nớc nhìn từ hớng gió thổi (m2) UW :vËn tèc giã (m/s)
CDW : hệ số kéo do gió
Hệ số kéo do gió là một hằng số tỷ lệ và cũng đợc biết là hệ số áp lực gió. Nó có thể đợc xác định bằng các thí nghiệm ống gió. Tuy nhiên, cũng có thể chấp nhận dùng một giá trị có đ ợc trong các thí nghiệm trớc đây đối với một kết câú có hình dạng tơng tự với kết cấu đang nghiên cứu
Các giá trị nh đã kê trong Bảng T.8.2.1 đợc kiến nghị dùng làm hệ số kéo do gió của các vật trong dòng chảy đều. Từ bảng này có thể thấy hệ số kéo do gió thay đổi theo hình dáng của vật nổi, nhng nó cũng bị ảnh hởng bởi hớng gió và số Reynolds. Chú ý rằng, áp lực gió đợc xem nh tác động trong hớng gió thổi, điểm đặt là trọng tâm của hình chiếu của phần vật thể nổi ở trên mặt nớc. Tuy nhiên, cần chú ý là có thể không nhất thiết nh thế nếu vật nổi lớn. Hơn nữa, vận tốc của gió thực tế không đồng đều theo hớng thẳng đứng, và do đó giá trị của vận tốc gió UW dùng trong tính áp lực gió đợc xác định là vận tốc tại độ cao 10m trên mặt biển.
(a) Neo d©y xÝch
(b) Neo c¨ng
(c) Neo trô
(d) Neo dùng khớp nối vạn năng
D©y xÝch
Má neo
chốngĐệm
Cọc neo
Bộ giảm chấn
Khíp nèi vạn năng
Bảng T-8.2.1. Hệ số áp lực gió
(2) Lực kéo do dòng chảy
Khi có các dòng chảy nh dòng triều, các dòng chảy này tác động một lực vào phần ngập nớc của vật nổi. Lực này đợc xem là áp lực dòng chảy hoặc lực kéo do dòng chảy. Giống nh lực kéo do gió, nó tỷ lệ với bình phơng của vận tốc dòng chảy. Tuy nhiên, vì vận tốc dòng chảy thờng nhỏ, lực kéo do dòng chảy đợc biểu thị thực tế tỷ lệ với bình phơng vận tốc chuyển động của vật nổi nh trong phơng trình sau :
Trong đó :
FC : lực kéo do dòng chảy (N)
ρO ; tỷ trọng của nớc (với nớc biển 1030 kg/m3)
AC : diện tích chiếu của phần ngập nớc của vật nổi nhìn từ hớng dòng chảy(m2) UC : vận tốc dòng chảy (m/s)
U : vận tốc chuyển động của vật nổi (m/s) CDC : hệ số kéo do dòng chảy
Hệ số kéo CDC là hàm số của số Reynolds. Khi số Reynolds lớn, có thể dùng các giá trị đối với dòng ổn định trong Bảng T.7.2.1 trong 7.2. Lực dong chảy tác động lên các cấu kiện và kết cấu ngập nớc. Hệ số kéo do dòng chảy thay đổi theo hình dạng của vật nổi và hớng của dòng chảy. Nh với áp lực gió, hớng của lực tác động bởi dòng chảy và hớng của bản thân dòng chảy không nhất thiết là một. Nói chung, mớn của vật nổi càng lớn so với chiều sâu nớc, hệ số kéo đối với dòng chảy càng lớn. Điều này đợc gọi là ảnh hởng của độ nông của nớc, và hệ số kéo tăng là do khe hở giữa đáy biển và đáy vật nổi càng nhỏ, nớc chảy qua khe hở này càng khó.
(3) Lực do sóng gây nên
Lực do sóng gây nên là lực tác động bởi các sóng tới vật nổi khi vật nổi đợc xem là cố định trong nớc. Nó gồm có một lực tuyến tính tỷ lệ với biên độ của sóng tới và một lực phi tuyến tỷ lệ với bình phơng biên độ của sóng tới. Lực tuyến tính là lực mà vật nổi nhận từ các sóng tới nh phản lực khi vật nổi làm biến dạng các sóng tới. Thế vận tốc đối với chuyển động của sóng biến dạng có đ ợc bằng cách sử dụng lý thuyết nhiễu xạ sóng. Mặt khác, lực không tuyến tính gồm có một lực đi kèm với tính chất biên độ hữu hạn của sóng và một lực tỷ lệ với bình phơng vận tốc dòng chảy.
Lực trớc do ảnh hởng của biên độ hữu hạn có thể phân tích đợc bằng lý thuyết, nhng trong thực tế, thờng đợc bỏ qua. Lực sau tỷ lệ với bình phơng của vận tốc dòng chảy trở nên lớn, đặc biệt khi
đờng kính của vật nổi nhỏ tơng đối với chiều dài sóng, cần xác định lực này bằng thí nghiệm.
(4) Lực trôi giạt do sóng
Khi sóng tác động lên một vật nổi, tâm chuyển động của vật nổi dần dần dịch chuyển theo hớng truyền sóng. Lực gây ra sự dịch chuyển này gọi là lực trôi giạt do sóng. Nếu qui định vật nổi là hai chiều và năng lợng sóng khống bị tiêu tán, thì lực trôi giạt do sóng đợc cho bởi phơng trình sau:
Tiết diện ngang vuông
Tiết diện ngang
ch÷ nhËt
Khi một mặt tiếp xúc với đất
Tiết diện ngang tròn (bề mặt nhẵn
trong đó:
ρ0: tỷ trọng nớc biển (kg/m3)
Fd: lực trôi giạt do sóng trên chiều rộng đơn vị (N/m) Hi: chiÒu cao sãng tíi (m)
Kr: hệ số phản xạ R: hệ số lực trôi giạt.
Nếu kích thớc của vật nổi cực kỳ nhỏ so với chiều dài sóng, lực trôi giạt do sóng có thể bỏ qua do nó nhỏ hơn nhiều so với lực do sóng gây ra. Tuy nhiên, khi vật nổi trở nên lớn hơn, lực trôi giạt do sóng trở nên trội hơn. Khi các sóng không đều tác động lên một vật nổi neo ở một hệ thống chỉ có một lực kìm hãm nhỏ, nh một phao neo điểm đơn dùng cho tàu dầu cỡ lớn, lực trôi giạt do sóng trở thành một yếu tố trội vì nó có thể gây ra các chuyển động trôi giạt chậm.
(5) Lực cản do sóng
Khi một vật nổi chuyển động trong nớc tĩnh, vật nổi tác động một lực lên nớc xung quanh, và vật nổi nhận lại một phản lực tơng ứng từ nớc. Phản lực này đợc gọi là lực cản do sóng. Lực này có thể đợc xác định bằng cách làm cho vật nổi chuyển động trong nớc tĩnh và đo lực tác
động lên vật thể. Nói chung, ta dùng một phơng pháp giải tích trong đó mỗi dạng chuyển
động của vật nổi đợc giả định thực hiện riêng rẽ, và có đợc thế vận tốc, nó đại diện chuyển
động của vật nổi trong nớc. Chỉ các lực tỷ lệ với chuyển động của vật nổi mới có thể đợc xác
định bằng giải tích, lực phi tuyến tỷ lệ với bình phơng của chuyển đông không thể xác định đ- ợc bằng giải tích. Trong số các lực tuyến tính, (nghĩa là tỷ lệ với chuyển động của vật nổi) số hạng tỷ lệ với gia tốc của vật nổi đợc gọi là số hạng khối lợng gia tăng, còn số hạng tỷ lệ với vận tốc đợc gọi là số hạng làm tắt dần sóng.
(6) Lực phục hồi vị trí
Lực tĩnh phục hồi vị trí là lực làm cho một vật nổi quay lại vị trí ban đầu khi nó chuyển động trong nớc tĩnh. Nó đợc sinh ra do sức nổi và trọng lợng, khi vật nổi nhấp nhô, lắc l, dập dềnh. Nói chung, lực này đợc xem nh tỷ lệ với biên độ chuyển động của vật nổi, nhng tỷ lệ này sẽ mất đi nếu biên độ trở nên quá lớn.
(7) Lùc neo
Lực neo (lực giữ) là lực đợc sinh ra để kiềm chế chuyển động của vật nổi. Độ lớn của lực này phị thuộc nhiều vào các đặc trng dịch chuyển – phục hồi vị trí của hệ thống neo.
(8) Phơng pháp giải lực do sóng gây ra và lực cản bằng thế vận tốc.
Phơng pháp đợc chấp nhận để tính lực do sóng gây ra và lực cản do sóng bao gồm việc tìm thế vận tốc, nó đại diện cho chuyển động của chất lỏng, sau đó tính lực do sóng gây ra và lực cản do sóng từ thế. Phơng pháp giải tích với thế vận tốc là nh nhau với cả hai lực do sóng gây ra và lực cản do sóng, sự khác nhau duy nhất là các điều kiện biên. Thế vận tốc có thể có đợc bằng cách sử dụng bất kỳ phơng pháp nào của một số phơng pháp, ví nh phơng pháp phân miền, phơng pháp phơng trình tích phân, phơng pháp dải hoặc phơng pháp phần tử hữu hạn.
(9) Lực sóng tác động lên một vật nổi cố định có tiết diện ngang chữ nhật
Khi một vật nổi đợc cố định ở một vị trí, thế vận tốc thoả mãn các điều kiện biên ở đáy biển và xung quanh vật nổi có thể sinh ra lực sóng. Lực sóng tác động lên một vật nổi có tiết diện hình chữ nhật dài, ví nh một đê chắn sóng nổi có thể xác định đợc bằng lý thuyết tính gần đúng của Ito và Chiba 2)
(10) Vật liệu neo
Về các vật liệu dùng để neo tàu và các đặc điểm đặc trng của chúng, đề nghị tìm các tài liệu tham khảo thích hợp.
(11) Các lực tác động lên một kết cấu nổi cực lớn
Đối với một kết cấu nổi cực lớn, các ngoại lực mô tả trong (1) ~ (10) trên đây thì khác các lực đối với một kết cấu nhỏ hơn, vì kích thớc lớn của nó và các đặc tính của đáp tuyến đàn hồi của kết cấu nổi.
Do đó cần tiến hành nghiên cứu đầy đủ về chuyển động và các đặc trng của đáp tuyến đàn hồi của kết cấu nổi.