5.4.1. Lực sóng lên cấu kiện hình trụ
Lực sóng tác động lên một cấu kiện hình trụ có thể đợc tính nh tổng của một lực cản tỷ lệ với bình phơng của vận tốc hạt nớc dới sóng và một lực quán tính tỷ lệ với gia tốc hạt níc.
[Chú giải]
Cấu kiện kết cấu nh cọc có đờng kính nhỏ so với chiều dài sóng không gây xáo động nhiều cho sự lan truyền của sóng. Lực sóng tác động lên các cấu kiện nh vậy có thể có đợc bằng cách sử dụng phơng trình Morison, trong đó lực sóng đợc biểu thị bằng tổng của một lực cản tỷ lệ với bình phơng của vận tốc của các hạt nớc và một lực quán tính tỷ lệ với gia tốc. Tuy nhiên, nhớ rằng với phơng trình Morison, cần tìm các giá trị chính xác cho vận tốc và gia tốc hạt nớc của sóng, cũng nh độ cao mặt sóng. Cũng cần đánh giá thoả đáng hệ số cản và hệ số quán tính bằng các thí nghiệm mô hình hoặc kết quả đo đạc hiện trờng.
Cần ghi nhớ thêm rằng sự va đập của mặt đầu sóng có thể làm phát sinh một lực sóng xung nếu cấu kiện nằm gần mực nớc tĩnh hoặc nếu sóng đang vỡ đập vào cấu kiện, và một lực đẩy nổi có thể tác động vào cấu kiện, phụ thuộc vào hình dạng và vị trí của cấu kiện
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Phơng trình Morison
Lực sóng tác động lên một cấu kiện kết cấu đợc tính dựa trên phơng trình sau :
Trong đó :
: lực tác động lên một chiều dài nhỏ ∆ s(m) theo hớng dọc trục của cấu kiện, hớng của lực này nằm trong mặt phẳng chứa trục cấu kiện và hớng chuyển động của các hạt nớc và vuông góc với trục cấu kiện (kN)
: thành phần của vận tốc (m/s) và gia tốc (m/s2) của hạt nớc, trong hớng vuông góc với trục cấu kiện, trục này nằm trong mặt phẳng chứa trục cấu kiện và hớng chuyển động của các hạt nớc (nghĩa là cùng hớng với ) ( các thành phần này là đối với sóng tới không bị xáo động bởi sự có mặt của cấu kiện)
: giá trị tuyệt đối của (m/s) CD : hệ số cản
CM : hệ số quán tính
D : bề rộng của cấu kiện trong hớng vuông góc vơí trục cấu kiện nhìn từ hớng của (m) A : diện tích tiết diện ngang của cấu kiện trong mặt phẳng vuông góc với trục cấu kiện (m2)
vuông góc với cấu kiện. Số hạng đầu ở phía tay phải biểu thị lực cản, còn số hạng thứ hai biểu thị lực quán tính. Cả hai thành phần vận tốc và gia tốc hạt nớc trong phơng trình thay đổi theo thời gian và không gian. Cần chú ý đầy đủ đến các biến đổi này và cần nghiên cứu sự phân bổ của lực sóng nghiêm trọng nhất cho cấu kiện hoặc kết cấu đang nghiên cứu
(2) Thành phần vận tốc và gia tốc hạt nớc
Các thành phần vận tốc và gia tốc hạt nớc và trong phơng trình (5.4.1) đại diện cho các thành phần chuyển động của hạt nớc tại tâm cấu kiện. Các thành phần này nằm trong hớng vuông góc với trục cấu kiện, và đợc đánh giá với giả định các sóng không bị xáo động bởi sự có mặt của kết cấu
đang xét. Khi tính lực sóng, cần ớc tính các thành phần này càng chính xác càng tốt, dựa trên các dữ
liệu thí nghiệm hoặc dự báo lý thuyết. Đặc biệt, thành phần vận tốc hạt nớc tham gia vào lực sóng với luỹ thừa hai, có nghĩa là khi chiều cao sóng lớn, một cách tính gần đúng sử dụng lý thuyết sóng biên
độ nhỏ trở thành không đủ để cho các kết quả tin cậy. Hơn nữa, khi cấu kiện vơn lên trên mực nớc trung bình, cần xem xét đầy đủ đến phạm vi mà lực sóng tác động, nghĩa là độ cao của đỉnh sóng.
Khi đánh giá các số hạng đó theo các giá trị lý thuyết, nên sử dụng lý thuyết sóng biên độ hữu hạn, nó phù hợp với các đặc trng của sóng tính toán, dựa trên 4.1.3. Tính chất của sóng. Cũng cần nhớ rằng cần thiết phải quan tâm đầy đủ đến tính chất không ổn định của sóng đối với chiều cao sóng và chu kỳ sóng dùng trong tính toán lực sóng, và nghiên cứu các đặc trng của sóng nghiêm trọng nhất cho độ an toàn của cấu kiện hoặc kết cấu đang xét. Nói chung phải sử dụng chiều cao sóng cao nhất và chu kỳ sóng có ý nghĩa trong việc phân tích đối với kết cấu cứng.
(3) Hệ số cản
Nói chung, có thể dùng hệ số cản đối với dòng ổn định làm hệ số cản CD cho lực sóng. Tuy nhiên nên nhớ rằng hệ số cản thay đổi theo hình dạng cấu kiện, độ nhám bề mặt, số Reynolds và khoảng phân cách giữa các cấu kiện lân cận. Nó cũng thay đổi với số Keulegan-Carpenter (số KC) vì dòng chảy có bản chất dao động. Cũng cần xem xét các điều kiện này khi xác định giá trị của hệ số cản.
Với một cấu kiện hình trụ tròn, cần lấy CD = 1,0 nếu đánh giá đầy đủ các tính chất biên độ hữu hạn của sóng. Với một kết cấu không có ngời, có thể sử dụng một giá trị thấp hơn nếu giá trị này đợc dựa trên các kết quả thí nghiệm mô hình phù hợp với các điều kiện. Tuy nhiên ngay trong tr ờng hợp này, CD không đợc lấy thấp hơn 0,7. Cũng cần nhớ rằng khi ớc tính vận tốc hạt nớc bằng một phơng trình gần đúng, cần sử dụng một giá trị cho hệ số cản đã đợc điều chỉnh đối với sai số ớc tính trong vận tốc hạt nớc
(4) Hệ số quán tính
Giá trị tính toán đợc theo lý thuyết sóng biên độ nhỏ có thể sử dụng đợc đối với hệ số quán tính CM. Tuy nhiên cần nhớ rằng hệ số quán tính thay đổi theo hình dạng của cấu kiện và các yếu tố khác nh số Reynolds, số KC, độ nhám bề mặt, và khoảng phân cách giữa các cấu kiện lân cận. Do đó cần
định giá trị của hệ số quán tính một cách thích đáng phù hợp với các điều kiện đã cho. Với cấu kiện hình trụ tròn, có thể dùng CM = 2,0 nh một giá trị tiêu chuẩn, với điều kiện đờng kính cấu kiện không lớn hơn 1/10 chiều dài sóng.
(5) Lực đẩy nổi
Ngoài lực cản và lực quán tính trong phơng trình (5.4.1), lực đẩy nổi tác động lên một cấu kiện nằm dới nớc theo hớng vuông góc với mặt phẳng chứa trục cấu kiện và hớng chuyển động của các hạt n- ớc. Nói chung, có thể chấp nhận bỏ qua lực đẩy nổi này, nhng cần chú ý tới vấn đề là lực đẩy nổi có thể trở thành một vấn đề đối với các cấu kiện nằm ngang đặt gần đáy biển. Hơn nữa, với các cấu kiện dài và mỏng, cần chú ý là lực đẩy nổi có thể gây ra rung động.
(6) Giá trị tiêu chuẩn của hệ số cản
Khi vận tốc hạt nớc có thể tính chính xác đợc, có thể sử dụng giá trị của hệ số cản đối với dòng chảy ổn định nh đã đợc ghi trong Bảng T.7.2.1 trong 7.2. Các lực dòng chảy tác động lên các cấu kiện và kết cấu ngập trong nớc.
(7) Giá trị tiêu chuẩn của hệ số quán tính
Khi đờng kính của cấu kiện đang xét không lớn hơn 1/10 chiều dài sóng, phải sử dụng giá trị ghi trong Bảng T.4.5.1 làm giá trị của hệ số quán tính CM. Tuy nhiên, khi ớc tính gia tốc hạt nớc bằng một phơng trình gần đúng, cần điều chỉnh giá trị của CM đối với sai số trong việc ớc tính gia tốc hạt nớc.
Giá trị hệ số quán tính cho ở đây phần lớn là từ nghiên cứu của Stelson và Maris. Theo các thí nghiệm của Hamada và v.v..., hệ số quán tính đối với một khối lập phơng dới sóng nằm trong phạm vi tõ 1,4 tíi 2,3
(8) Các giá trị do thí nghiệm đối với hệ số cản và hệ số quán tính
Có nhiều giá trị do thí nghiệm đối với hệ số cản và hệ số quán tính của một hình trụ tròn thẳng đứng;
ví dụ các giá trị của Keulegan và Carpenter, Sarpkaya, Goda, Yamaguchi, Nakamura, Chakrabarti, và Koderayama và Tashiro. Có nhiều sự khác nhau giữa các giá trị đó. Tuy nhiên không có đủ dữ liệu trong vùng có số Reynolds cao. Oda đã lập một bảng tổng kết các nghiên cứu này, có thể tham khảo
Bảng T.5.4.1. Hệ số quán tính
5.4.2. Lực sóng trên kết cấu lớn riêng lẻ
Lực sóng tác động trên một kết cấu lớn đứng riêng lẻ trong biển phải đợc tính toán bằng một cách tính thoả đáng hoặc bằng thí nghiệm mô hình thuỷ lực, xét đến kích thớc của kết cấu và hình dạng tiết diện ngang
[Chú giải]
Lực sóng tác động lên một kết cấu lớn đứng riêng rẽ có các kích thớc có thể so sánh đợc với chiều dài sóng có thể tính đợc bằng cách sử dụng thế vận tốc, vì thờng có thể bỏ qua lực cản. Đặc biệt, với kết cấu có hình dạng đơn giản, có thể có đợc các lời giải giải tích bằng lý thuyết nhiễu xạ. Tuy nhiên, cần tính lực sóng vỡ bằng các thí nghiệm mô hình thuỷ lực nếu có khả năng có lực sóng vỡ tác động lên kết cấu
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Lý thuyết nhiễu xạ
MacCamy và Fuchs đã xác định thế vận tốc của sóng xung quanh một hình trụ tròn thẳng đứng đờng kính lớn bằng lý thuyết nhiễu xạ, và tính lực sóng từ sự phân bổ áp lực nớc tại bề mặt hình trụ. Goda và Yoshimura đã áp dụng lý thuyết nhiễu xạ vào một hình trụ elip thẳng đứng, và trình bày các kết quả bằng hệ số quán tính CM . Yamaguchi đã nghiên cứu ảnh hởng của tính phi tuyến của sóng đến lực sóng tác động lên một hình trụ tròn thẳng đứng đờng kính lớn bằng lý thuyết nhiễu xạ phi tuyến, và chỉ ra rằng cần xét đến các ảnh hởng này khi nớc nông.
(2) Kết cấu riêng lẻ có hình dạng tuỳ ý
Với một kết cấu có hình dạng phức tạp, khó có đợc lực sóng bằng giải tích do đó cần tiến hành một tính toán bằng số. Có thể có đợc nhiều phơng pháp khác nhau, ví nh phơng pháp phơng trình tích ph©n.
Hình dạng Thể tích Hệ số quán ttính
Hình trụ tròn
L¨ng trô
đáy vuông
Khối lập phơng
H×nh cÇu
Tấm phẳng