5.5.1. Lực đẩy nổi tác động lên tấm nằm ngang gần mực nớc tĩnh
Với một tấm nằm ngang đặt gần mức nớc tĩnh, một lực sóng va đập có thể tác động lên mặt đáy của tấm (lực sóng này sau đây đợc gọi là lực đẩy nổi) tuỳ thuộc vào các điều kiện sóng và hình thức kết câú của tấm. Khi tồn tại nguy cơ đó, phải đánh giá lực đẩy nổi va đập đó bằng một phơng pháp thích đáng kể cả thí nghiệm mô hình thuỷ lực v.v...
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Đặc trng của lực đẩy nổi va đập
Nếu mặt đáy của tấm bản phẳng, lực đẩy nổi va đập tác động lên một tấm bản nằm ngang gần mực nớc tĩnh thay đổi theo vận tốc va đập (đẩy nổi lên) của mặt sóng và góc giữa mặt sóng và tấm bản.
Nh thấy trong Hình T.5.5.1(a), khi có một góc giữa mặt sóng và tấm bản, mặt sóng chạy dọc mặt đáy tấm bản và sự phân bổ áp lực sóng trở thành nh cho ở đây. Đặc điểm rõ rệt của áp lực sóng trong tr- ờng hợp này là nó tăng nhanh về thời gian. Mặt khác, khi góc giữa mặt đầu sóng và tấm bản gần bằng 0 nh trong Hình T.5.5.1(b), một lớp không khí này bị nén lại dẫn đến sự phân bổ áp lực sóng hầu nh đồng đều. Trong trờng hợp này, đặc điểm nổi bật của áp lực sóng là sự dao động của nó theo thời gian với chu kỳ ngắn và tắt dần.
Hình T.5.5.1. Tác động giữa mặt đầu sóng và tấm bản nằm ngang
Trong trờng hợp một cầu tàu có một tấm sàn mặt cầu đợc các dầm nằm ngang đỡ, mặt sóng bị xáo
động bởi các dầm, và lực đẩy nổi có tính chất phức tạp. Vơí dầm, thờng tạo thành một túi không khí và túi không khí này bị nén lại do mặt sóng nâng lên. Do đó cần xét đến sự thay đổi trong lực đẩy nổi liên quan đến hình dạng của mặt đáy của tấm bản
Hình dạng của bề mặt sóng va đập thay đổi lớn tuỳ theo điều kiện là sóng tiến triển hoặc đứng. Với sóng đứng, hình dạng của mặt đầu sóng va đập thay đổi với khoảng cách giữa vị trí của sóng phản xạ và tấm nằm ngang. Do đó cần xét các sự khác nhau này.
(2) Lực đẩy nổi tác động lên một tấm nằm ngang có mặt đáy phẳng (với sóng đứng)
Goda cho rằng lực đẩy nổi tác động lên một tấm nằm ngang là lực phát sinh từ sự thay đổi đột ngột trong xung lực hớng lên trên của mặt sóng do nó va chạm với tấm bản. Sử dụng lý thuyết Karman,
ông có đợc các công thức sau để tính lực đẩy nổi từ các sóng đứng tác động lên tấm nằm ngang Sự phân bổ áp lực
Tác động của sóng
Tác động của sóng Sự phân bổ áp lực
Trong đó :
P : lực đẩy nổi tổng cộng (kN) ζ : hệ số điều chỉnh
ρo : dung trọng nớc biển (1.03 t/m3) g : gia tốc trọng trờng (9,81 m/s2)
H : chiều cao sóng của các sóng tiến triển (m) (thờng là chiều cao sóng cao nhất Hmax) L : chiều dài sóng của sóng tiến triển (m)
B : Chiều rộng kéo dài của tấm bản vuông góc với sóng tới (m) h : chiÒu s©u níc (m)
s : khe hở của tấm bản bên trên mực nớc tĩnh
s' : khe hở của tấm bản bên trên mức tơng ứng với điểm giữa của đỉnh sóng và ch©n sãng (m)
Cần nhớ rằng lực đẩy nổi trong các phơng trình trên không phụ thuộc vào chiều dài của tấm bản nằm ngang
Lực va đập có một độ lớn cho bởi các phơng trình trên và có dạng của một xung kéo dài một thời gian t từ lúc va đập, t đợc cho nh sau
Trong đó T là chu kỳ sóng và l là chiều dài tấm bản. Với điều kiện chiều dài tấm bản đủ nhỏ so với chiều dài sóng L và mặt đáy của tấm bản nằm ngang là phẳng, phơng trình (5.5.1) đại diện tốt cho các đặc điểm của lực đẩy nổi (dù rằng phơng trình đơn giản). So sánh các giá trị tính đợc với ζ = 1,0 với các giá trị thí nghiệm, sự phù hợp tơng đối tốt với điều kiện H/s' không lớn hơn 2.
Tanimoto và v.v... đã kiến nghị một phơng pháp khác để tính lực đẩy nổi tác động lên tấm bản nằm ngang dựa trên lý thuyết Wagner. Với phơng pháp tính toán này, góc tiếp xúc β giữa mặt sóng và tấm bản nằm ngang cũng nh vận tốc va đập Vn đợc cho bởi lý thuyết sóng cấp ba Stokes, làm cho có thể có đợc sự phân bổ không gian của áp lực va đập và sự thay đổi của nó theo thời gian. Tuy nhiên cần nhớ rằng việc sử dụng lý thuyết sóng cấp ba Stokes làm cho việc tính toán khá phức tạp. Ph ơng pháp tính toán này dự định để sử dụng khi mặt đáy tấm nằm ngang phẳng. Nó không thể áp dụng trực tiếp vào các kết cấu có hình dạng phức tạp nh một cầu tàu thông thờng có các dầm dới bản sàn;
sự va đập giữa mặt sóng và bản sàn bị xáo động bởi các dầm. Nói chung, sự có mặt của các dầm làm cho không khí bị hãm lại và mặt sóng bị biến dạng, kết quả là lực va đập nhỏ hơn lực va đập đối với một bản nằm ngang mặt đáy phẳng. Theo đó, giá trị có đợc từ phơng pháp tính này có thể xem là giới hạn cao hơn của lực đẩy nổi đối với một cầu tầu thông thờng.
(3) Lực nâng tác động lên một cầu tầu loại hở
Ito và Takeda đã tiến hành các thử nghiệm mô hình tỷ lệ các cầu tầu loại hở để có lực nâng tác động lên một cầu dẫn, và trọng lợng tối thiểu của nó để không bị di chuyển và đổ. Các điều kiện thí nghiệm là chiều cao sóng tới 40cm, chu kỳ 1,0s và 2,4s , và chiều sâu nớc 56cm và 60cm. Theo các ghi chép đo đạc của các dụng cụ đo áp lực sóng gắn vào cầu dẫn, giá trị đỉnh của lực nâng thay đổi
đáng kể từ sóng này tới sóng khác ngay trong cùng các điều kiện. Dù sao, giá trị trung bình của các giá trị đỉnh đợc cho gần đúng bởi phơng trình sau:
Trong đó :
p : giá trị đỉnh trung bình của cờng độ đẩy nổi (kN/m2) ρ0 : dung trọng nớc biển (1.03 t/m3)
g : gia tốc trọng trờng (9,81 m/s2)
Tuy nhiên, chú ý rằng giá trị đỉnh của cờng độ lực nâng cho bởi phơng trình (5.5.4) chỉ tác động trong thời gian cực ngắn, và pha của lực nâng này thay đổi từ chỗ này tới chỗ khác. Nh vậy có nghĩa là ngay cả khi cờng độ lực nâng p vợt quá tĩnh tải (cụ thể là trọng lợng trên đơn vị diện tích (kN/m2)) của cầu dẫn, không nhất thiết cầu đã bị xê dịch hoặc đổ. Dựa theo đó, Ito và Takeda đã có đ ợc trọng l- ợng ngỡng tại đó cầu dẫn bắt đầu dịch chuyển và đổ. Với sóng chu kỳ 2,4s, quan hệ giữa trọng lợng ngỡng dịch chuyển trên đơn vị diện tích q và chiều cao sóng H nh sau :
q = ρo g(1,6H - 0,9s) (5.5.5)
Trọng lợng ngỡng dịch chuyển cho bởi phơng trình (5.5.5) là 1/5 cờng độ lực nâng cho bởi phơng trình (5.5.4). Trọng lợng ngỡng đổ đợc tìm thấy bằng 1/2 tới 1/3 trọng lợng ngỡng dịch chuyển.
Trong các thí nghiệm cầu dẫn này, Ito và Takeda cũng thử nghiệm cầu dẫn với các lỗ hoặc rãnh kích thớc khác nhau, và nghiên cứu tại sao các trọng lợng ngỡng thay đổi khi tỷ số rỗng thay đổi. Nói chung, sự thay đổi của trọng lợng ngỡng theo tỷ số rỗng khá nhỏ. Trọng lợng ngỡng đổ giảm đáng kể khi tỷ số rỗng vợt quá 20%. Chú ý rằng trọng lợng cầu nói ở đây là trọng lợng trên đơn vị diện tích của phần có thực (nghĩa là trọng lợng trên đơn vị diện tích không kể lỗ rỗng)
Ngoài ra, Ito và Takeda đã gắn một dụng cụ đo biến vị vào sàn cầu của mô hình cầu tầu và đo ứng suất. Dựa trên các kết quả này, các tác giả kiến nghị phơng trình sau cho tĩnh tải tơng đơng (kN/m2)
đợc giả định tác động lên sàn cầu với cách phân bổ đồng đều:
p = 4ρogH (5.5.6)
Tuy nhiên, chú ý rằng giá trị cho bởi phơng trình này tơng ứng với giá trị trên của các giá trị thí nghiệm và do đó coi nh tơng ứng với trờng hợp mà khoảng cách s từ mực nớc tới mặt dới của tấm bản hầu nh bằng không. Tĩnh tải tơng đơng cho bởi phơng trình (5.5.6) nói chung thấp hơn lực nâng tác động lên một tấm nằm ngang có mặt đáy phẳng. Điều này một phần do các dầm xáo trộn mặt
đầu sóng va đập và làm cho không khí bị hãm lại bên trong. Cũng là do lực nâng tác động rất cục bộ và trong một thời gian rất ngắn, tĩnh tải tơng đơng trở nên nhỏ hơn nhiều so với giá trị đỉnh của lực nâng. Các nghiên cứu thí nghiệm về lực nâng tác động lên một cầu tàu cũng đợc Murota và Furudoi, Nagai và Kubo, Horikawa và Nakao, và Sawaraghi và Nochino thực hiện.
(4) Lực nâng tác động lên một tấm nằm ngang mặt đáy phẳng (sóng tiến triển)
Một lực nâng va đập cũng tác động khi các sóng tiến triển tác động lên một tấm nằm ngang cố định gần mực nớc tĩnh. Tanimoto và v.v... kiến nghị một phơng pháp tính lực nâng va đập này, dựa trên cùng một lý thuyết Wagner đã đợc dùng đối với lực nâng va đập bởi sóng đứng
(5) Lực nâng tác động lên kết cấu tầng trên của cầu tàu tháo rời (sóng tiến triển)
Ito và Takeda cũng tiến hành nghiên cứu lực nâng do sóng tiến triển tác động lên một cầu tàu tháo rời. Cụ thể, các ông đo ứng suất xẩy ra trong bản sàn cầu của mô hình cầu tầu tháo rời. Dựa trên các giới hạn trên của các kết quả thí nghiệm, các ông kiến nghị phơng trình sau cho tính tải tơng đơng phân bổ đều :
p = 2 ρogH (5.5.7)
[Tài liệu tham khảo]