Phn 2 - Chng 3 1 Chơng 3 : Gió và áp lực gió 3.1. Khái quát Khi thiết kế các công trình cảng và bến, phải xét đến các yếu tố khí tợng nh gió, áp lực không khí, sơng mù, ma, bề dày của tuyết và nhiệt độ không khí. [Chú giải] Các yếu tố khí tợng có ảnh hởng đến việc thiết kế các công trình cảng và bến là nh sau: 1. áp lực không khí và việc phân bổ áp lực đó là các yếu tố chi phối việc phát sinh ra gió và sóng bão. 2. Gió là một yếu tố chi phối việc phát sinh ra sóng và sóng bão, nó tác động các ngoại lực lên công trình cảng và bến và các tàu neo tại đó dới dạng áp lực gió, và nó có thể làm gián đoạn các công việc ở cảng và bến, ví nh việc bốc xếp hàng hoá. 3. Ma là một yếu tố xác định năng lực cần thiết của các công trình thoát nớc trong cảng và bến, và ma cũng có thể làm gián đoạn công việc ở cảng và bến ví nh việc bốc xếp hàng. 4. Sơng mù là một yếu tố ngăn trở việc chạy tàu khi chúng ra vào cảng, và cũng làm giảm hiệu suất của các công trình cảng và bến. 5. Trong vài trờng hợp, tải trọng tuyết đợc xem là một tải trọng tĩnh tác động lên các công trình cảng và bến. 6. Nhiệt độ không khí làm ảnh hởng tới việc phân bổ ứng suất bên trong các kết cấu của công trình cảng và bến và có thể dẫn đến sự xuất hiện ứng suất nhiệt trong các kết cấu đó. [Chỉ dẫn kỹ thuật] (1) Trong các tính toán liên quan đến việc phát sinh ra sóng hoặc sóng bão do một cơn bão, thờng giả định rằng việc phân bổ áp kực tuân theo phơng trình Fujita (3.1.1) hoặc phơng trình Myer (3.1.2); các hằng số trong phơng trình đợc chọn sẽ đợc xác định dựa trên các đo đạc áp lực không khí thực tế trong khu vực bão. () 2 /1 o rr p pp + = (Công thức Fujita) (3.1.1) += r r ppp o c exp (Công thức Myer) (3.1.2) trong đó: p : áp lực không khí ở một khoảng cách r từ tâm bão (hPa) r : khoảng cách tới tâm bão (km) p c : áp lực không khí ở tâm bão (hPa) r o : khỏang cách ớc tính từ tâm bão tới điểmvận tốc gió lớn nhất (km) p : độ sụt áp suất không khí ở tâm bão (hPa) p = p - p C p : áp lực không khí ở r = (hPa) ; p = p C + P Kích thớc của một cơn bão thay đổi theo thời gian, cho nên r O và P phải xác định là hàm số của thời gian. (2) Về gió, xem 3.2. Gió (3) Ma thờng đợc chia thành ma trong bão có sấm sét, nó có lợng ma lớn trong một thời gian ngắn và ma liên tục trong một thời gian kéo dài (ma do một cơn bão là một ví dụ đại diện cho loại sau này). Khi thiết kế công trình thoát nớc, cần xác định cờng độ ma đối với trờng hợp mà lợng dòng chảy tăng lên rất nhanh và cả trong trờng hợp dòng chảy liên tục cho một thời gian kéo dài. Phn 2 - Chng 3 2 Trờng hợp quy hoạch cống thoát nớc mà cờng độ ma trong một cơn bão sấm sét là vấn đề chính, sử dụng công thức Sherman hoặc công thức Talbot R = a/ t n (Công thức Sherman) (3.1.3) R = a/(t + b) (Công thức Talbot) (3.1.4) trong đó R : cờng độ ma (mm/h) t : thời gian ma (phút) a,b,n : hằng số (4) Về tải trọng tuyết tác động lên các công trình cảng và bến, xem 15.3.4. Tải trọng tuyết 3.2. Gió (Điều 3, Khoản 1 Thông báo) Sẽ là chuẩn xác khi đa các đặc tính của gió vào việc tính sóng và xem các đặc điểm của gió là nguyên nhân của một ngoại lực tác động lên các công trình cảng và bến nh quy định dới đây : (1) Khi tính vận tốc gió và hớng gió dùng trong việc ớc tính sóng và sóng bão, việc đo đạc gió thực tế hoặc các giá trị tính toán đợc đối với gió gradien đều sử dụng đợc, với tất cả sự hiệu chỉnh cần thiết cần làm với các chiều cao đo đạc v.v (2) Vận tốc của gió tác động lên công trình cảng và bến phải đợc xác lập dựa trên các số liệu thống kê trong một thời kỳ thích hợp cùng với các đặc điểm của công trình và kết cấu. [Chỉ dẫn kỹ thuật] (1) Gió gradien (a) Vận tốc của gió gradien có thể biểu thị bằng một hàm số của gradien áp lực, bán kính cong của các đờng đẳng áp, vĩ độ và tỷ trọng không khí nh trong phơng trình (3.2.1) ++= 22 sin / 11sin cr crp rV cr g (3.2.1) trong đó : V g : vận tốc của gió gradien (cm/s); trong trờng hợp một gió xoáy nghịch, phơng trình (3.2.1) cho một giá trị âm, khi đó phải lấy giá trị tuyệt đối. p / r : gradien áp lực ( lấy là dơng với gió xoáy thuận, là âm với gió xoáy nghịch) (g/cm 2 /s 2 ) r : bán kính cong của đờng đẳng áp (cm) : vận tốc góc của sự quay của trái đất (S -1 ); w = 7,29 . 10 5 /s : vĩ độ ( o ) a : tỉ trọng không khí (g/m 3 ) Trớc khi tính toán, các đơn vị đo lờng cần đổi thành đơn vị CGS liệt kê trên đây. Cần biết 1 o vĩ độ tơng ứng với một khoảng cách khoảng 1,11 . 10 7 cm và một áp lực không khí 1,0 hPa bằng 10 3 g/cm/ s 2 (b) Một gió gradien mà đờng thẳng áp là đờng thẳng (nghĩa là bán kính cong trong phơng trình (3.2.1) là vô hạn) đợc gọi là gió geostrophic. Trờng hợp này, vận tốc gió là V = ( p / r )/ (2 a rwsin ). Phn 2 - Chng 3 3 (2) Vận tốc gió thực tế ở mặt biển thờng thấp hơn giá trị có đợc từ phơng trình gió gradien. Hơn nữa, tuy phơng của một cơn gió gradien về lý thuyết thì song song với các đờng đẳng áp, gió ở mặt biển thổi với một góc nào đó so với đờng đẳng áp nh đã phác hoạ trong Hình T.3.2.2. ở Bắc bán cầu, gió xung quanh một xoáy thuận thổi theo chiều ngợc kim đồng hồ và hớng vào trong, trong khi gió xung quanh một xoáy nghịch thổi theo chiều kim đồng hồ và hớng ra ngoài. Đợc biết rằng mối quan hệ giữa vận tốc của gió gradien và vận tốc gió thực tế ở mặt biển thay đổi theo vĩ độ. Mối quan hệ trong các điều kiện trung bình đợc tổng hợp trong Bảng T.3.2.1. Tuy nhiên, đây chỉ có tính chất chỉ đạo không hơn; khi ớc tính các gió mặt biển, cần có những hiệu chỉnh thích hợp bằng cách so sánh các ớc tính với các đo đạc thực tế dọc bờ biển và các giá trị đã đợc các tàu ngoài biển báo cáo về (các giá trị này đợc ghi trên các bản đồ thời tiết ) (3) Khi lựa chọn vận tốc tính toán của gió đói với gió tác động trực tiếp lên các công trình cảng và bến và các tàu neo đậu, ta phải ớc tính sự phân bổ cực trị của vận tốc gió dựa trên số liệu đo đạc thực tế làm trong một thời gian dài (theo nguyên tắc ít nhất 30 năm) và sau đó dùng vận tốc gió tơng ứng với thời gian phản hồi cần thiết. Sẽ là chuẩn xác khi lấy các thông số của gió là hớng gió và vận tốc với hớng gió đợc biểu thị bằng hệ thống phơng vị mời sáu điểm và vận tốc là vận tốc gió trung bình trên 10 phút. Trong Thông báo quan sát kỹ thuật của cơ quan khí tợng số 34, vận tốc gió dự đoán với các thời gian quay trở lại là 5, 10, 20, 50, 100 và 200 năm đối với 141 cơ quan khí tợng ở các nớc đã đợc ớc tính từ các số liệu vận tốc gió trung bình trong 10 phút của khoảng 35 năm, với giả định là vận tốc gió tuân theo sự phân bổ số mũ kép. Với các vị trí có các địa hình khác với địa hình của cơ quan khí tợng nói trên gần nhất, phải tiến hành quan sát ít nhất một năm và sau đó tiến hành nghiên cứu so sánh về ảnh hởng của địa hình để có thể sử dụng đợc các kết quả ớc tính nói trên. (4) Đối với vận tốc gió dùng để ớc tính sóng vá sóng bão, phải sử dụng giá trị ở độ cao 10m trên mặt biển. Vận tốc gió có đợc tại các cơ quan khí tợng của chính phủ là giá trị ở độ cao khoảng 10m trên mặt đất. Do đó, khi dự định sử dụng các giá trị ớc tính đó để ớc tính gió mặt biển, trong trờng hợp chiều cao của các kết cấu khác xa 10m, cần hiệu chỉnh vận tốc gió tơng ứng với chiều cao. Profile thẳng đứng của vận tốc gió thờng tuân theo định luật dạng luỹ thừa, do đó trong các tính toán thiết kế hiện nay đối với tất cả các loại kết cấu, thờng dùng một định luật dạng luỹ thừa: n o oh h h UU = (3.2.2) trong đó : U h : vận tốc gió ở độ cao h (m/s) U o : vận tốc gió ở độ cao h o (m/s) Giá trị của số mũ thay đổi theo vị trí tuỳ theo độ gồ ghề gần mặt đất và tính ổn định của khí quyển. Trong các tính toán kết cấu trên đất, thờng dùng n = 1/10 ~1,4, và dùng n 1/7 ngoài biển. Các dữ liệu thống kê vận tốc gió thờng xét đến vận tốc gió trung bình 10 phút. Tuy nhiên, với một số công trình có thể dùng vận tốc gió trung bình trong thời gian ngắn hơn hoặc vận tốc gió cực đại tức thì; trong trờng hợp này, cần hiểu biết về quan hệ giữa vận tốc gió trung bình trong một khoảng thời gian nào đó và vận tốc gió cực đại, và cả các đặc điểm của cơn gió giật từng cơn. Góc Hình T.3.2.2. Hớn g g ió với một xoá y thuận (Thấp) và một xoáy nghịch (Cao) Thấp Cao Bản g T.3.2.1. Quan hệ g iữa tốc độ g ió mặt biển và tốc độ gió gradien Vĩ độ T ỷ số V s /V g Phn 2 - Chng 3 4 3.3. áp lực gió (Điều 3, Khoản 2 Thông báo) áp lực gió phải đợc xác định một cách thoả đáng, có xem xét nghiêm túc tới loại kết cấu và vị trí của chúng. [Chỉ dẫn kỹ thuật] (1) Khi tính áp lực gió tác động lên một tàu bị neo, phải tham khả Điều 2.2.3 [3] Tải trọng gió tác động lên tàu. (2) Trờng hợp không có quy định nào liên quan tới áp lực gió tác động lên một kết cấu, áp lực gió có thể tính theo phơng trình (3.3.1) p = cq (3.3.1) Trong đó : p : áp lực gió (N/m 2 ) q : áp lực vận tốc (N/m 2 ) c : hệ số áp lực gió Phơng trình (3.3.1) biểu thị áp lực gió, nghĩa là lực gió trên diện tích đơn vị chịu lực gió. lực gió tổng cộng do gió tác động lên một bộ phận kết cấu sẽ bằng áp lực gió cho bởi phơng trình (3.3.1) nhân với diện tích của bộ phận kết cấu chịu ảnh hởng của gió trong mặt phẳng vuông góc với hớng mà gió tác động. áp lực vận tốc q đợc xác định bằng phơng trình (3.3.2) 2 2 1 Uq a = (3.3.2) trong đó : q : áp lực vận tốc (N/m 2 ) a : tỉ trọng không khí (kg/m 3 ) a = 1,23 kg/m 3 U : vận tốc gió tính toán (m/s) Vận tốc gió tính toán phải lấy bằng 1,2 đến 1,5 lần vận tóc gió tiêu chuẩn (vận tốc gió trung bình 10 phút ở độ cao 10 m). Đó là do vận tốc gió cực đại tức thời là khoảng 1,2 ~ 1,5 lần vận tốc gió trung bình 10 phút. Hệ số áp lực gió thay đổi tuỳ thuộc vào các điều kiện nh hình dạng của bộ phận hoặc của toàn kết cấu, hớng gió và số Reynolds trừ các trờng hợp mà nó đợc xác định bằng các thử nghiệm đờng ống gió, có thể xác định hệ số này theo Điều 87 của Nghị định bổ sung Pháp lệnh Tiêu chuẩn xây dựng (Pháp lệnh số 338.1950) hoặc Tiêu chuẩn kết cấu cần cẩu (Thông báo của Bộ Lao động). Về hớng gió, thông thờng phải xét hớng gió nào bất lợi nhất cho kết cấu , trừ trờng hợp đã xác định đợc có một hớng gió thịnh hành áp đảo. . 2 - Chng 3 1 Chơng 3 : Gió và áp lực gió 3. 1. Khái quát Khi thiết kế các công trình cảng và bến, phải xét đến các yếu tố khí tợng nh gió, áp lực không khí, sơng mù, ma, bề dày của tuyết và. đoạn các công việc ở cảng và bến, ví nh việc bốc xếp hàng hoá. 3. Ma là một yếu tố xác định năng lực cần thiết của các công trình thoát nớc trong cảng và bến, và ma cũng có thể làm gián đoạn công. nhiệt độ không khí. [Chú giải] Các yếu tố khí tợng có ảnh hởng đến việc thiết kế các công trình cảng và bến là nh sau: 1. áp lực không khí và việc phân bổ áp lực đó là các yếu tố chi phối việc