- II.133 - sóng nghiêm trọng nhất cho độ an ton của cấu kiện hoặc kết cấu đang xét. Nói chung phải sử dụng chiều cao sóng cao nhất v 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 lm hệ số cản C D cho lực sóng. Tuy nhiên nên nhớ rằng hệ số cản thay đổi theo hình dạng cấu kiện, độ nhám bề mặt, số Reynolds v 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 ny khi xác định giá trị của hệ số cản. Với một cấu kiện hình trụ tròn, cần lấy C D = 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 ny đợc dựa trên các kết quả thí nghiệm mô hình phù hợp với các điều kiện. Tuy nhiên ngay trong trờng hợp ny, C D 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 C M . Tuy nhiên cần nhớ rằng hệ số quán tính thay đổi theo hình dạng của cấu kiện v các yếu tố khác nh số Reynolds, số KC, độ nhám bề mặt, v 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 C M = 2,0 nh một giá trị tiêu chuẩn, với điều kiện đờng kính cấu kiện không lớn hơn 1/10 chiều di sóng. (5) Lực đẩy nổi Ngoi lực cản v 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 v hớng chuyển động của các hạt nớc. Nói chung, có thể chấp nhận bỏ qua lực đẩy nổi ny, nhng cần chú ý tới vấn đề l lực đẩy nổi có thể trở thnh một vấn đề đối với các cấu kiện nằm ngang đặt gần đáy biển. Hơn nữa, với các cấu kiện di v mỏng, cần chú ý l 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 v 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 di sóng, phải sử dụng giá trị ghi trong Bảng T.4.5.1 lm giá trị của hệ số quán tính C M . Tuy nhiên, khi ớc tính gia tốc hạt nớc bằng một phơng trình gần đúng, cần điều chỉnh giá trị của C M đối với sai số trong việc ớc tính gia tốc hạt nớc. Giá trị hệ số quán tính cho ở đây phần lớn l từ nghiên cứu của Stelson v Maris. Theo các thí nghiệm của Hamada v v.v , hệ số quán tính đối với một khối lập phơng dới sóng nằm trong phạm vi từ 1,4 tới 2,3 (8) Các giá trị do thí nghiệm đối với hệ số cản v hệ số quán tính Có nhiều giá trị do thí nghiệm đối với hệ số cản v hệ số quán tính của một hình trụ tròn thẳng đứng; ví dụ các giá trị của Keulegan v Carpenter, Sarpkaya, Goda, Yamaguchi, Nakamura, Chakrabarti, v Koderayama v 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 ny, có thể tham khảo www.Gia24.vn - II.134 - 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 v 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 di 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 v 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, v tính lực sóng từ sự phân bổ áp lực nớc tại bề mặt hình trụ. Goda v Yoshimura đã áp dụng lý thuyết nhiễu xạ vo một hình trụ elip thẳng đứng, v trình by các kết quả bằng hệ số quán tính C M . 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, v chỉ ra rằng cần xét đến các ảnh hởng ny 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 hnh một tính toán bằng số. Có thể có đợc nhiều phơng pháp khác nhau, ví nh phơng pháp phơng trình tích phân. Hình dạng Thể tích Hệ số quán ttính Hình trụ tròn Lăng trụ đáy vuông Khối lập phơng Hình cầu Tấm ph ẳ ng www.Gia24.vn - II.135 - 5.5. Lực sóng tác động lên kết cấu nằm gần mực nớc tĩnh 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 ny sau đây đợc gọi l lực đẩy nổi) tuỳ thuộc vo các điều kiện sóng v 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 v góc giữa mặt sóng v tấm bản. Nh thấy trong Hình T.5.5.1(a), khi có một góc giữa mặt sóng v tấm bản, mặt sóng chạy dọc mặt đáy tấm bản v sự phân bổ áp lực sóng trở thnh nh cho ở đây. Đặc điểm rõ rệt của áp lực sóng trong trờng hợp ny l nó tăng nhanh về thời gian. Mặt khác, khi góc giữa mặt đầu sóng v tấm bản gần bằng 0 nh trong Hình T.5.5.1(b), một lớp không khí ny bị nén lại dẫn đến sự phân bổ áp lực sóng hầu nh đồng đều. Trong trờng hợp ny, đặc điểm nổi bật của áp lực sóng l sự dao động của nó theo thời gian với chu kỳ ngắn v tắt dần. Hình T.5.5.1. Tác động giữa mặt đầu sóng v tấm bản nằm ngang Trong trờng hợp một cầu tu có một tấm sn mặt cầu đợc các dầm nằm ngang đỡ, mặt sóng bị xáo động bởi các dầm, v lực đẩy nổi có tính chất phức tạp. Vơí dầm, thờng tạo thnh một túi không khí v túi không khí ny 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 l 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 v tấm nằm ngang. Do đó cần xét các sự khác nhau ny. (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 l 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 S ự p hân bổ á p l ự c Tác động của sóng Tác động của sóng S ự p hân bổ á p l ự c www.Gia24.vn - II.136 - Trong đó : P : lực đẩy nổi tổng cộng (kN) ] : hệ số điều chỉnh U o : dung trọng nớc biển (1.03 t/m 3 ) g : gia tốc trọng trờng (9,81 m/s 2 ) H : chiều cao sóng của các sóng tiến triển (m) (thờng l chiều cao sóng cao nhất H max ) L : chiều di sóng của sóng tiến triển (m) B : Chiều rộng kéo di của tấm bản vuông góc với sóng tới (m) h : chiều sâu nớc (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 v chân sóng (m) Cần nhớ rằng lực đẩy nổi trong các phơng trình trên không phụ thuộc vo chiều di của tấm bản nằm ngang Lực va đập có một độ lớn cho bởi các phơng trình trên v có dạng của một xung kéo di một thời gian t từ lúc va đập, t đợc cho nh sau Trong đó T l chu kỳ sóng v l l chiều di tấm bản. Với điều kiện chiều di tấm bản đủ nhỏ so với chiều di sóng L v mặt đáy của tấm bản nằm ngang l 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 ] = 1,0 với các giá trị thí nghiệm, sự phù hợp tơng đối tốt với điều kiện H/s' không lớn hơn 2. Tanimoto v 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 ny, góc tiếp xúc E giữa mặt sóng v tấm bản nằm ngang cũng nh vận tốc va đập V n đợc cho bởi lý thuyết sóng cấp ba Stokes, lm cho có thể có đợc sự phân bổ không gian của áp lực va đập v sự thay đổi của nó theo thời gian. Tuy nhiên cần nhớ rằng việc sử dụng lý thuyết sóng cấp ba Stokes lm cho việc tính toán khá phức tạp. Phơng pháp tính toán ny dự định để sử dụng khi mặt đáy tấm nằm ngang phẳng. Nó không thể áp dụng trực tiếp vo các kết cấu có hình dạng phức tạp nh một cầu tu thông thờng có các dầm dới bản sn; sự va đập giữa mặt sóng v bản sn bị xáo động bởi các dầm. Nói chung, sự có mặt của các dầm lm cho không khí bị hãm lại v mặt sóng bị biến dạng, kết quả l 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 ny có thể xem l 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 v Takeda đã tiến hnh các thử nghiệm mô hình tỷ lệ các cầu tầu loại hở để có lực nâng tác động lên một cầu dẫn, v trọng lợng tối thiểu của nó để không bị di chuyển v đổ. Các điều kiện thí nghiệm l chiều cao sóng tới 40cm, chu kỳ 1,0s v 2,4s , v chiều sâu nớc 56cm v 60cm. Theo các ghi chép đo đạc của các dụng cụ đo áp lực sóng gắn vo cầu dẫn, giá trị đỉnh của lực nâng thay đổi đáng kể từ sóng ny 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/m 2 ) www.Gia24.vn - II.137 - U 0 : dung trọng nớc biển (1.03 t/m 3 ) g : gia tốc trọng trờng (9,81 m/s 2 ) H : chiều cao sóng tới (m) (H max ) s : khoảng cách từ mực nớc tới mặt dới của cầu tầu (m) 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, v pha của lực nâng ny thay đổi từ chỗ ny tới chỗ khác. Nh vậy có nghĩa l ngay cả khi cờng độ lực nâng p vợt quá tĩnh tải (cụ thể l trọng lợng trên đơn vị diện tích (kN/m 2 )) của cầu dẫn, không nhất thiết cầu đã bị xê dịch hoặc đổ. Dựa theo đó, Ito v Takeda đã có đợc trọng lợng ngỡng tại đó cầu dẫn bắt đầu dịch chuyển v đổ. Với sóng chu kỳ 2,4s, quan hệ giữa trọng lợng ngỡng dịch chuyển trên đơn vị diện tích q v chiều cao sóng H nh sau : q = U o g(1,6H - 0,9s) (5.5.5) Trọng lợng ngỡng dịch chuyển cho bởi phơng trình (5.5.5) l 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 ny, Ito v Takeda cũng thử nghiệm cầu dẫn với các lỗ hoặc rãnh kích thớc khác nhau, v 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 l trọng lợng trên đơn vị diện tích của phần có thực (nghĩa l trọng lợng trên đơn vị diện tích không kể lỗ rỗng) Ngoi ra, Ito v Takeda đã gắn một dụng cụ đo biến vị vo sn cầu của mô hình cầu tầu v đo ứng suất. Dựa trên các kết quả ny, các tác giả kiến nghị phơng trình sau cho tĩnh tải tơng đơng (kN/m 2 ) đợc giả định tác động lên sn cầu với cách phân bổ đồng đều: p = 4U o gH (5.5.6) Tuy nhiên, chú ý rằng giá trị cho bởi phơng trình ny tơng ứng với giá trị trên của các giá trị thí nghiệm v do đó coi nh tơng ứng với trờng hợp m 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 ny một phần do các dầm xáo trộn mặt đầu sóng va đập v lm cho không khí bị hãm lại bên trong. Cũng l do lực nâng tác động rất cục bộ v 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 tu cũng đợc Murota v Furudoi, Nagai v Kubo, Horikawa v Nakao, v Sawaraghi v 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 v v.v kiến nghị một phơng pháp tính lực nâng va đập ny, 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 tu tháo rời (sóng tiến triển) Ito v Takeda cũng tiến hnh nghiên cứu lực nâng do sóng tiến triển tác động lên một cầu tu tháo rời. Cụ thể, các ông đo ứng suất xẩy ra trong bản sn 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 U o gH (5.5.7) www.Gia24.vn - II.138 - [Ti liÖu tham kh¶o] www.Gia24.vn - II.139 - www.Gia24.vn . đẩy nổi ny, nhng cần chú ý tới vấn đề l lực đẩy nổi có thể trở thnh một vấn đề đối với các cấu kiện nằm ngang đặt gần đáy biển. Hơn nữa, với các cấu kiện di v mỏng, cần chú ý l lực đẩy nổi có. bản. Với điều kiện chiều di tấm bản đủ nhỏ so với chiều di sóng L v mặt đáy của tấm bản nằm ngang l phẳng, phơng trình (5.5.1) đại diện tốt cho các đặc điểm của lực đẩy nổi (dù rằng phơng trình. quán tính đối với một khối lập phơng dới sóng nằm trong phạm vi từ 1,4 tới 2,3 (8) Các giá trị do thí nghiệm đối với hệ số cản v hệ số quán tính Có nhiều giá trị do thí nghiệm đối với hệ số