Xác định tải trọng sóng ngẫu nhiên lên phần tử dây neo công trình biển nổi

ThS. Nguyễn Thị Thu Lê PGS. TS. Lê Hồng Bang PGS. TS. Đỗ Quang Khải Trường Ðại học Hàng hải Việt Nam Người phản biện: TS. Nguyễn Hoàng TS. Lê Thanh Bình

TÓM TẮT: Dựa trên kết quả xây dựng mặt sóng ngẫu nhiên, từ đó xác định được thành phần vận tốc và gia tốc của các phần tử nước. Bài báo trình bày cách sử dụng công thức Morison để tính toán tải trọng sóng ngẫu nhiên tác dụng lên phần tử kết cấu mảnh đặt xiên trong không gian, từ đó xây dựng thuật toán và chương trình tính tải trọng sóng ngẫu nhiên lên phần tử dây neo công trình biển nổi theo phương pháp phần tử hữu hạn.

TỪ KHÓA: Tải trọng sóng ngẫu nhiên, phần tử dây neo, công thức Morison, lực quán tính, lực cản ma sát.

Abstract: Base on the result of the establishment of the random wave surface, velocity and acceleration components of water participles were determined. By using Morrison’s equation to calculate random wave load affecting slender structural elements with slanting axis, this paper presents the establishment method of algorithm and program to determine the random wave load on any element of offshore mooring lines by finite element  method.

KEYWORDS: Random wave load, element of offshore mooring lines, Morrisons equation, inertial forces, frictional resistances.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, trong tính toán hệ dây neo công trình biển nổi, ở Việt Nam đang sử dụng các phần mềm như Arian7, Hydrostar… đều là các phần mềm có bản quyền. Để chủ động về mặt công nghệ cần thiết phải có chương trình tính của Việt Nam. Vì vậy, việc xây dựng thuật toán tính hệ dây neo là một việc làm hết sức cần thiết. Ở Việt Nam, việc tính hệ dây neo mới dừng ở mức độ xét các bài toán dây neo phẳng với tải trọng sóng tiền định. Để xác định tải trọng sóng ngẫu nhiên lên mô hình kết cấu không gian hệ dây neo công trình biển nổi theo phương pháp phần tử hữu hạn, khi đó dây neo được chia thành nhiều phần tử, cần thiết phải xác định tải trọng sóng ngẫu nhiên lên từng phần tử dây neo bằng cách sử dụng công thức Morison dựa trên các giá trị vận tốc và gia tốc của các phần tử nước. Trong thực tế, các phần tử dây neo công trình biển nổi nằm ở tư thế bất kỳ trong nước biển, số lượng phần tử lớn, vì vậy các tác giả sẽ xây dựng thuật toán và chương trình tính tải trọng lên phần tử bất kỳ của hệ dây neo công trình biển nổi.

2. CÔNG THỨC MORISON

Xét 1 thanh hình trụ nằm trong chất lỏng, chất lỏng chuyển động với vận tốc, gia tốc theo phương nằm ngang là v, a. Thanh hình trụ cũng chuyển động theo phương nằm ngang với vận tốc, gia tốc tương ứng là u, ü. Khi đó chất lỏng chảy vòng quanh thanh hình trụ có vận tốc theo phương z bằng 0, bài toán trở thành bài toán phẳng. Theo Morison [3], lực do sóng tác dụng lên phần tử chiều dài thanh hình trụ là: q = q_M + q_D             (1)

Trong đó: q_M- Lực quán tính do sóng tác dụng lên thanh hình trụ được tính theo công thức:

q_M = ρ.A.a + C_a.ρ(a - ü)               (2)

ρ - Khối lượng riêng của nước; A - Diện tích tiết diện ngang của thanh; C_a - Phụ thuộc vào hình dạng tiết diện thanh; 

q_D - Lực cản ma sát gây nên do ma sát giữa dòng chảy và mặt trụ được tính theo công thức:

q_D = 1/2 . C_D.D|v - u|(v-u)                     (3)

D - Kích thước ngang lớn nhất của tiết diện thanh hình trụ thẳng góc với phương của dòng chảy.

C_D - Hệ số lực cản, phụ thuộc vào hình dạng tiết diện, số Reynolds của dòng chảy và độ nhám bề mặt của thanh, có thể tra theo bảng [1].

Như vậy, lực tác dụng của sóng lên 1 phần tử chiều dài hình trụ là:

q = ρ.A.a + C_a.ρ.A.(a-ü) +   1/2. C_D.ρ.D|v-u|(v-u)           (4)

3. TẢI TRỌNG SÓNG NGẪU NHIÊN TÁC DỤNG LÊN PHẦN TỬ DÂY NEO BẤT KỲ

Thiết lập hệ tọa độ: Hệ tọa độ tổng thể xyz, hệ tọa độ cục bộ x_iy_iz_i có trục x_i dọc theo trục phần tử j (đi từ nút đầu sang nút cuối), các trục còn lại tạo với trục x_i một tam diện thuận.

Hình 3.1: Phần tử dây neo trong hệ tọa độ tổng thể

Các phần tử dây neo nằm xiên trong không gian, được đặc trưng bởi véc-tơ đơn vị c_j dọc theo trục thanh và các cosin chỉ phương tương ứng c_xj, c_yj, c_zj:

Hình 3.2: Cosin chỉ phương của phần tử dây neo thứ j

 

 

 

 

 

Từ công thức (5), ta thay thế v và a bằng v_n và a_n là thành phần vận tốc và gia tốc của chất lỏng thẳng góc với thanh, ta xác định được tải trọng phân bố vuông góc với trục phần tử:

 

 

 

 

 

 

 

Hình 3.3: Đồ thị xác định

 

 

 

 

 

 

Hình 3.4: Đồ thị tra giá trị CDt

4. VÍ DỤ TÍNH TOÁN VÀ KẾT QUẢ

 

 

 

 

 

 

Hình 3.4: Đồ thị tra giá trị CDt

 

* Xác định các thành phần vận tốc và gia tốc của phần tử nước [2,5]

 Với sóng là một quá trình ngẫu nhiên, ta xác định được:

Thành phần vận tốc của phần tử nước theo phương ngang và phương đứng:

 

 

 

 

 

 

* Xây dựng sơ đồ thuật toán:

Hình 4.2: Sơ đồ thuật toán tính tải trọng lên phần tử dây neo

 

* Kết quả tính toán:

Xác định tọa độ nút đầu và nút cuối của phần tử;

Xét hướng sóng chính tới phần tử dây neo hợp với phương X một góc;

Nhập thông số phần tử dây neo;

- Tọa độ nút đầu của phần tử theo phương X: 12,5

- Tọa độ nút đầu của phần tử theo phương Y: 0,2

- Tọa độ nút đầu của phần tử theo phương Z: 1,6

- Tọa độ nút cuối của phần tử theo phương X: 24,8

- Tọa độ nút cuối của phần tử theo phương Y: 0,2

- Tọa độ nút cuối của phần tử theo phương Z: 1,6

* Xác định tải trọng sóng lên phần tử dây neo (theo mục 3)

Kết quả thu được: Tải trọng vuông góc với trục tại điểm giữa của phần tử ở thời điểm lúc ban đầu là:

q_nx = 0

q_ny = -0,07kN/m

q_nz = 0,023kN/m

Tải trọng dọc theo trục tại điểm giữa phần tử

q_tx = 2,175.10^-3kN/m

q_ty = 0

q_tz = 0

5. KẾT LUẬN

Dựa vào các thông số sóng tại một vùng biển, áp dụng chương trình tính là kết quả của bài báo, ta sẽ xác định được tải trọng sóng ngẫu nhiên tác động lên một điểm bất kỳ của phần tử dây neo. Từ tải trọng này ta có thể xác định được véc-tơ tải trọng nút của phần tử dây neo để từ đó tính toán được tải trọng sóng ngẫu nhiên tác dụng lên hệ dây neo công trình biển nổi. 

Tài liệu tham khảo

[1]. GS. TS. Nguyễn Xuân Hùng (1999), Động lực học công trình biển, NXB. Khoa học Kỹ thuật.

[2]. Deo M.C. (2013), Waves and Structures, Indian Institute of Technology Bombay Powai, Mumbai.

[3]. A. H. Techet (2004), Morrison’s Equation.

[4]. Offshore standard DNV-OS-E301, Enviromental conditions and enviromental loads, Det Norske Veritas, 2004.

[5]. J.M.J Journee andW.W.Massie (2001), Offshore hydromechanics, Delft university of Technology.

[6]. Chu Quốc Thắng (1997), Phương pháp phần tử hữu hạn, NXB. Khoa học Kỹ thuật.