TRƯỜNG đại học xây DỰNG bộ môn CẢNG – ĐƯỜNG THỦY đồ án CẢNG BIỂN

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG LÊN CẦU TÀU3.1 Giới thiệu khái quát về tải trọng tác động lên công trình bến Có rất nhiều tải trọng tác động lên công trình bến và chúng được quy về

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG BỘ

MÔN CẢNG – ĐƯỜNG THỦY

ĐỒ ÁN CẢNG BIỂN

CHƯƠNG 1: SỐ LIỆU ĐẦU VÀO

 (T/

m3)

(Độ)

C(T/m2)

1 Cát pha hạt mịn lẫn bùn sét 3,0 0,77 1,70 12,0 1,80

2 Sét pha màu nâu hồng dẻo mềm 4,0 0,55 1,78 16,0 3,25

3 Sét pha dẻo cứng đến nửa cứng - 0,23 1,85 18,0 3,85

Bảng 1: Chiều dày và chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất.

4 Số liệu về khí tượng, thủy văn :

- Mớn nước đầy tải : 7,3 (m);

- Mớn nước không tải : 2,9 (m);

6 Tải trọng hàng hóa, thiết bị :

- Cấp tải trọng : Cấp 2, q =3,0 (T/m2)

7 Thiết bị trên bến :

- Cần trục bánh lốp, sức nâng 30 Tấn, áp lực chân lớn nhất P = 25 Tấn ; Ôtô H30

Số liệu mực nước Số liệu về gió (m/s) Số liệu về dòng chảy (m/s)MNCTK MNTTK MNTB Vgdt Vgnt Vdcdt Vdcnt

Bảng 2 : Số liệu về khí tượng, thủy văn.

Cao trình mặt bến lấy theo 2 tiêu chuẩn sau :

 Tiêu chuẩn thiết kế chính

b Chiều sâu trước bến.

Chiều sâu trước bến là độ sâu nước tối thiểu sao cho tàu cập bến không bị vướngmắc.Trong đó có kể đến mớn nước của tàu khi chứa đầy hàng theo quy định và các độsau dự phòng khác

Ta có công thức xác định độ sâu trước bến như sau:

H0 = Hct + Z4 (m)

Trong đó :

Hct - Là chiều sâu chạy tàu , Hct = T + Z0+ Z1+ Z2+ Z3

T = 7,3 (m) - Mớn nước khi tàu chở đầy hàng

Z0 – Mức dự phòng cho sự nghiêng lệch tàu do xếp hàng hóa lên tàu không đều và do hàng hóa bị xê dịch

Z1 - Độ dự phòng tối thiểu tính với an toàn lái tàu

Z2 –Độ dự phòng do sóng, theo bài ra trước bến không có sóng

Z3 - Độ dự phòng về tốc độ tính tới sự thay đổi mớn nước của tàu khi chạy so vớimớn nước của tàu khi neo đậu nước tĩnh

Chiều dài tuyến bến được xác định phụ thuộc vào chiều dài tàu Lt và khoảng cách

dự phòng d, theo công thức sau:

H - chiều cao trước bến H = 13,7 (m)

m - Độ dốc ổn định của mái đất dưới gầm cầu tàu m = cotg ;

em chọn giải pháp bến cầu tầu cừ sau, kết cấu bệ là bản có dầm

2.2.2 Phân đoạn bến

- Với chiều dài bến là : Lb = 134 (m)

- Vậy ta chia bến thành 3 phân đoạn ,hai phân đoạn bên ngoài dài 46 (m), một phân

đoạn bên trong dài 42 (m)

- Chọn 6 bích neo chạy suốt chiều dài bến

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG LÊN CẦU TÀU

3.1 Giới thiệu khái quát về tải trọng tác động lên công trình bến

Có rất nhiều tải trọng tác động lên công trình bến và chúng được quy về các dạng sau:

TT thường xuyên,TT tạm thời,TT đặc biệt

3.2 Tải trọng bản thân

Kết cấu bên trên của cầu tàu bao gồm bản , dầm dọc, dầm ngang và vòi voi được đổ liềnkhối với nhau Tải trọng bản thân của kết cấu bến bao gồm tải trọng bản thân của bản, hệdầm dọc, dầm ngang và vòi voi

3.2.2 Tải trọng bản thân dầm ngang.

Trọng lượng bản thân dầm ngang có dạng phân bố đều trên chiều dài, có giá trị trên mộtmét dài (trừ đi phần dầm nằm liền khối trong bản) là :

qdn = 2,5.(1,0 – 0,3).0,7 = 1,225 T/m

3.2.3 Tải trọng bản thân dầm dọc.

Xét một đoạn dầm dọc có chiều dài 4,0 m nằm vuông góc và phân bố đều về 2 phía củamột dầm ngang bất kì Tải trọng bản thân dầm dọc có dạng tải trọng tập trung đặt tạiđiềm giao nhau của dầm ngang và dầm dọc và được tính như sau

P1 = 2,5.( 1,0 – 0,3).0,7.(4,0 – 0,7) = 4,043 (T)

3.2.4 Tải trọng bản thân vòi voi.

Tải trọng bản thân vòi voi được tính một cách tương đối theo các kich thước đã chọn vàthiên về an toàn, có dạng tập trung đặt tại đầu dầm ngang và có giá trị

Pvv = 4,5 (T)

3.3 Tải trọng do tàu.

Theo 22TCN222 – 95 khi tính toán công trình thủy chịu tải trọng do tàu (vật nổi) cần xácđịnh :

 Tải trọng do gió, dòng chảy và sóng tác động lên tàu

 Tải trọng tàu đang neo đậu ở bến tựa lên công trình bến dưới tác dụng của gió, dòngchảy và sóng gọi là tải trọng tựa tàu

 Tải trọng va khi tàu cập vào công trình bến

Tải trọng kéo vào dây neo khi gió, dòng chảy tác động lên tàu

3.3.1 Tải trọng gió tác dụng lên tàu

Theo mục 5.2/22TCN222-95 – trang 65, ta có thành phần ngang Wq (KN) và thành phầndọc Wn (KN) của lực gió tác dụng lên vật nổi phải xác định theo các công thức sau:

 Aq, An – diện tích cản gió theo hướng ngang tàu và dọc tàu (m2)

 Vq, Vn – thành phần ngang và thành phần dọc của tốc độ gió có suấtđảm bảo 2%, m/sec

 q ,n- hệ số lấy theo bảng 26/22TCN222-95 - trang 65

Kết quả tính toán tải trọng gió được thể hiện ở bảng sau:

3.3.2 Tải trọng dòng chảy tác dụng lên tàu.

Theo mục 5.3/22TCN222 – 95 – trang 66, ta có thành phần ngang Qw (kN) và thànhphần dọc Nw (kN) của lực do dòng chảy tác dụng lên tàu được xác định theo công thức:

Đầy hàng 7,3 781,1 117,5 0,5 2,2 115,21 335,53 Không hàng 2,9 310,3 46,7 0,5 2,2 45,76 133,35

3.3.3 Tải trọng tựa tàu.

Theo mục 5.7/22TCN222 – 95 – trang 68, ta có trải trọng phân bố q (kN) do tàu neo

đậu ở bến tựa trên bến dưới tác động của gió dòng chảy được xác định theo công thức:

3.3.4 Tải trọng va tàu khi tàu cập bến.

Theo mục 5.8/22TCN222 – 95 – trang 69, ta có: khi tàu cập vào công trình bến cảng thì

động năng va chạm của tàu Eq (kJ) được xác định theo công thức

2

( )2

q

D

E   kJ

Trong đó:

 D – Lượng rẽ nước của tàu tính toán (Tấn)

 Thành phần vuông góc (với mặt trước công trình) của tốc độ cập tàu, m/s

Tra theo bảng 29/22TCN222 – 95 – trang 69, ta có: với tàu biển có D = 8000

o Khi tàu chưa có hàng: 

Kết quả tính toán động năng va của tàu được thể hiện ở bảng sau:

Bảng 6

Nhận xét: Động năng khi tàu chở đầy hàng lớn hơn khi tàu không có hàng, do đó ta chỉ

tính giá trị động năng khi tàu chở đầy hàng

Eq = 41,89 (kJ)

- Với Năng lượng biến dạng của thiết bị đệm tính được như trên,dựa vào Hình 9 - Phụ lục6/22TCN222-95 “Tiêu chuẩn thiết kế công trình bến cảng biển” dùng phương pháp đồ thị

ta chọn loại đệm V 800H với các đặc điểm như sau:

+ Cấu tạo bằng cao su, μ=0,5

+ Dạng liên kết cứng

+ Chiều dài tiêu chuẩn : L = 2,5 (m)

+ Chiều cao giới hạn : 800 (mm)

Vậy :

- Tải trọng va tàu theo phương vuông góc với mặt bến là: Fq = 160 kN

- Tải trọng va tàu theo phương song song với mép bến:

Fn = Fq = 0,5.160 = 80 kN

Bố trí đệm tàu tại các đầu dầm ngang, mỗi phân đoạn có 2 đệm tàu dọc tuyến mép bến

3.3.5 Tải trọng neo tàu.

Theo mục 5.11/22TCN222 – 95 - trang 71,tải trọng kéo của các dây neo phải xác định

bằng cách phân phối thành phần vuông góc với mép bến của lục Qtot (kN) cho các bichneo Lực Qtot bao gồm cả lực cả gió và dòng chảy tác động lên một tàu tính toán

Lực neo S (kN) tác động lên một bích neo không phụ thuộc vào số lượng tàu buộc dâyneo vào bích neo đó và được xác định theo công thức: .sin os

tot

Q S



Hình chiếu của lực S lên các phương vuông góc với mép bến Sq, song song với mép bến

Sn, và theo phương thẳng đứng Sv được xác định theo công thức:

hàng

203,99 30 40 88,76 58,88 33,99 57,05

Nhận xét: Tải trọng neo khi tàu không hàng S= 88,76 kN  8,87 tấn lớn hơn tải trọng khi

tàu đầy hàng S= 78,09 kN  7,81 tấn, do đó dùng giá trị 8,87 tấn để chọn loại bích neo

C(mm)

D(mm)

E(mm)

F(mm)

G(mm)

H(mm)

Sốhiệubulông

LựccăngTấn

HW2

0

3.4 Tải trọng sóng tác dụng lên cầu tàu

Do công trình bến nằm trong bể cảng và được ngăn cách bởi hệ thống đê chắn sóng, do

đó có thể coi trong bể cảng không có sóng.vì vậy tải trọng sóng tác dụng lên tàu trongtrường hợp này bằng không

3.5 Tải trọng do hàng hóa và thiết bị

Sơ đồ tải trọng khai thác trên bến

Từ bảng trên xác định được biểu đồ áp lực đất lên tường cừ.

- Chọn mực nước thấp thiết kế làm mực nước tính toán áp lực đất lên tường cừ.

- Xác định mặt phẳng ngang để xác định chiều dài tự do của cừ và tính áp lực đất bị

động, chọn tại trung điểm mái nghiêng.(tại cao trình -3,1)

- Kết quả tính toán áp lực đất lên cừ được thể hiện ở bảng 10 và 11.

- Giải cừ theo phương pháp đồ giải kết quả được thể hiện ở hình vẽ.

 Các bước cơ bản của phương pháp đồ giải :

+ Xây dựng biểu đồ áp lực đất

+ Quy đổi áp lực đất về các lực tập trung

+ Vẽ đa giác lực (theo một tỉ lệ độ dài với η))

+ Vẽ các đường song song với các đường thẳng nối tâm O tương ứng ở đa giác

lực  Đa giác dây

Từ đa giác dây và đường nối khép kín của đa giác dây ta xác định được chiều sâu chôn cừtính toán.

- Momen lớn nhất của cừ là : Mcừ(max) = ymax η) = 1,44.10 = 14,4 (T.m)

+ ymax = ymax1 = ymax2 = 1.44 (T) : tung độ max của đa giác dây

+ η) = 10 m : Tọa độ cực của đa giác lực

CHƯƠNG 4 PHÂN PHỐI LỰC NGANG VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG 4.1 Xác định sơ bộ chiều dài tính toán của cọc

Sơ đồ xác định chiều dài cọc tính toán sơ bộ

Trong đó: lo – Là chiều dài tự do của cọc (là khoảng cách từ trục dầm tới mặt đất)

 là hệ số kinh nghiệm ở đây ta chọn = 7; Đường kính cọc d = 0,4 m

Ta có bảng số liệu xác định chiều dài tính toán cọc sơ bộ như sau:

Bảng 12

4.2 Giải bài toán phân phối lực ngang

4.2.1 Xác định tâm đàn hồi.

Một phân đoạn bến cầu tàu gồm có 12 khung ngang, và 6 khung dọc trong đó khung dọc

có độ cứng lớn hơn khung ngang Do đó có thể tiến hành giải phân đoạn cầu tàu bằng bàitoán phẳng theo phương ngang Khung được chọn để giải bài toán phẳng là khung có

xi,yi - Tọa độ của đầu cọc thứ i đối với gốc tọa độ ban đầu

 ∑ Hix yi , ∑ Hiy xi - Mô men tổng cộng của các phản lực ứng với trục y và

trục x



Các phản lực ngang H ix và H iy ở đầu cọc đơn B,C,D,E,F được tính như lựccắt Q gây ra do các chuyển vị đơn vị theo các công thức của cơ học kết cấu xemcác cọc đơn được ngàm chặt 2 đầu, tra bảng 6.6/Công trình bến cảng – trang 208

 E - Modul đàn hồi của tiết diện cọc Bê tông Mac 350 có E=2,9 106 (T/m2)

 I – Mô men quán tính của tiết diện cọc, cọc tiết diện 40x40, có :

I = 2,13.10-3 (m4)

 l – Chiều dài tính toán của cọc m Do cọc của bến cầu tàu được ngàm vào nền đất

có dạng mái nghiêng nên chiều dài tính toán của các hàng cọc dọc bến là khácnhau

 Với hàng cọc chụm đôi :

H XH



80460136573

= 22,0 (m) ; Y C

ix i ix

H YH



20409514016

=14,56 (m)

4.2.2 Xác định lực ngang lên đầu cọc

a Lực ngang là lực tựa tàu

Tải trọng tựa tàu có dạng phân bố đều trên đoạn chiều dài tiếp xúc giữa thân tàu và bến

xét cho một phân đoạn bến thì tải trọng tựa tàu có dạng phân bố đều trên toàn bộ chiều

dài phân đoạn bến đó Do đó ta tính lực tựa của tàu lên một bước cọc

b Lực ngang là lực neo tàu

Lực neo tàu tác động lên từng phân đoạn của cầu tàu thông qua lực căng dây neo Thành

phần lực ngang của dây neo này là: Sq và Sn đã tính toán ở trên Trong hai trường hợp tàu

đầy hàng và không hàng thì trường hợp tàu đầy hàng có tải trọng neo lớn hơn do đó lấy

tải trọng neo trong trường hợp này để tính toán

Xét hai trường hợp neo tàu sau:

C(22,0 ;14,56) x y

y

Trường hợp 1 Trường hợp 2

Ta sẽ tính toán cho TH2 với lực neo lớn hơn. Chuyển lực neo về tâm đàn hồi : ΣX = 2.Sn = 12,71 (T) ΣY = -2.Sq = -7,34 (T) Mo = -6,36 x (14,56 + 1,5 ) x 2 - 3,67 x (22 – 4) + 3,67 x 6 = -248,32 (T.m) Các thành phần chuyển vị : φ 0 2 2 ix i iy i M H y H x     = -8,78 x 10-6 (rad) Δx = (ΣX / ΣHix)= 9,05 x 10-4(m) Δy = (ΣY / ΣHiy) = -2,0 x 10-4 (m) Lực ngang phân bố theo cả 2 phương cho cọc bất kì thứ i được xác định bằng các biểu thức :

Hix = Hix.(Δx ± y'i.φ).

Hiy = H iy

.(Δy ± x'i.φ).

Trong đó x'i, '

i

y là tọa độ của cọc thứ i đối với hệ tọa độ mới có gốc tọa độ đặt tại tâm

đàn hồi C

BẢNG PHÂN BỐ LỰC NEO TÀU LÊN CÁC KHUNG NGANG

VÀ KHUNG DỌC THEO PHƯƠNG X

4 0.67292

1.052196 9

0.16012

4 0.67292

1.052196 9

0.16012

4 0.67292

1.052196 9

12 0.0214 0.0213 7 0.0353 1 0.05345 0.0876 6 0.16012 4 0.67292 1.052196 Tổng 0.2564 0.2564

0.4237

1 0.64139

1.0519 8

1.92148

5 8.07499 12.62636 Sai số = (12.71- (12.6264))*100%/(12.71)=0.65 %

Bảng 14

BẢNG PHÂN BỐ LỰC NEO TÀU LÊN CÁC KHUNG NGANG

VÀ KHUNG DỌC THEO PHƯƠNG Y

Sai số =(7.34 - 7.3178)*100%/7.34 = 0.3%

Bảng 15

c Lực ngang là lực va tàu

Theo tính toán ở phần tải trọng va tàu,trên phân đoạn bến này ta bố trí 12 đệm tàu dọc

theo tuyến mép bến.Tuy nhiên trường hợp nguy hiểm nhất là khi toàn bộ năng lượng va

tàu chỉ tập trung vào 1 đệm tàu nằm ở vị trí ngoài cùng của phân đoạn bến gây ra mô men

lớn nhất đối với tâm đàn hồi C).Do đó ta sẽ đem trường hợp này để phân phối lực va tàu

lên các đầu cọc của phân đoạn bến.

Ta có tải trọng va tàu bao gồm 2 thành phần đã tính được ở trên là :

-Thành phần vuông góc với tuyến mép bến: Fq = 16 (T)

-Thành phần song song với tuyến mép bến: Fn = 8 (T)

Sơ đồ phân phối lực va tàu lên các đầu cọc của phân đoạn bến như hình vẽ dưới đây

C(22,0 ;14,56)

XY

Chuyển các thành phần lực va về tâm đàn hồi ta có:



 = -5,7 x 10-4 (m)

Δy = ix

Y H

BẢNG PHÂN BỐ LỰC VA TÀU LÊN CÁC KHUNG NGANG

VÀ KHUNG DỌC THEO PHƯƠNG X

4.8069 -7.9397 Sai số = (8- (7.93974))*100%/(8) = 0.75 %

-Bảng 16

BẢNG PHÂN BỐ LỰC VA TÀU LÊN CÁC KHUNG NGANG

VÀ KHUNG DỌC THEO PHƯƠNG Y

5

5.0524 5

0.1847 7

0.2885 5

0.4887 2

0.9228 2

3.9997 0

15.9894

7 Sai số =(16 - 15.9894)*100%/16 = 0.0004%

Bảng 17 Nhận xét: khung ngang số 12 chịu lực va lớn nhất.

4.3.

Tổng hợp lực ngang tác dụng lên các khung dọc và ngang của cầu tàu

TỔNG LỰC NGANG TÁC DỤNG LÊN KHUNG NGANG

VÀ KHUNG DỌC THEO PHƯƠNG X VÀ YPhương

PhươngY

hàng Lực neo Lực va Lực Tổng Lực neo Lực va Lực tựa Tổng

CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH KẾT CẤU BẾN CẦU TÀU 5.1.

Các tổ hợp tải trọng

5.1.1.

Các phương án tải trọng

 Tải trọng tác dụng lên bến bao gồm 3 loại:

- Tải trọng thường xuyên : tải trọng bản thân công trình, lực neo cừ.

- Tải trọng tạm thời dài hạn : Tải trọng hàng hóa và thiết bị công nghệ trên bến.

- Tải trọng tạm thời ngắn hạn bao gồm : Tải trọng neo tàu, tải trọng va tàu, tải trọng

350 350

350 250

Ra = 35,36 (T)

P neo tau = 1,2 (T)

350 350

350 250

350 350

350 250

Giải theo phương pháp Antonov

- Với giả thiết cọc đều là cấu kiện mềm ,chuyển vị ngang của các nút là như nhau ,

Antonov dựa vào quy luật phân bố momen, viết hệ phương trình chính tawcscho một sơ đồ phẳng bất kì mà hệ cơ bản Nếu hệ có nút thì sẽ có n= m+1 hệ phương trình chính tắc có n ẩn số δ1;δ2;… δ m , δ n

CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN CÁC CẤU KIỆN CẦU TẦU 6.1 Cọc

6.1.1 Tính toán chiều dài cọc

a Sức chịu tải của cọc tính theo đất nền

Được xác định theo công thức :

gh đ s

P P F

 , Fs = 1,4 ( với cọc chịu nén )

Pgh = m.(1.Ra.Fc + 2.ui.i.li)

Trong đó:

m: Hệ số điều kiện làm việc, lấy m = 1

1, 2: Hệ số kể đến ảnh hưởng của phương pháp hạ cọc Ở đây dùng phương pháp đóng

ép cọc nên lấy 1 = 2 = 1

Ri : Sức kháng đầu mũi của lớp đất thứ i ngay mũi cọc

Fc,ui :Diện tích và chu vi tiết diện cọc Fc = 0,16 (m2) , ui = 1,6(m)

i : Cường độ ma sát thành bên của lớp đất thứ i với bề mặt xung quanh cọc.(Dựa vào độsệt và chiều sâu chôn cọc)

Tính toán sức chịu tải của cọc từ chiều sâu ngàm giả định Giả thiết cọc đóng vào lớp đất

3 Chiều dài cọc chọn là 22 m, chia làm 2 đoạn.Cao trình mũi cọc là -18,2 m Nhận thấycọc mép bến có chiều sâu cắm trong đất là nhỏ nhất nên ta dùng để tính toán sức chịu tảicủa cọc (thiên về an toàn )

đến nửa cứng(B=0,23)

b Tính toán cọc trong quá trình thi công.

Cọc chiều dài 22 m , chia làm 2 đoạn cọc.Mỗi đoạn dài 11 m

+Cọc trong quá trình cẩu lắp 1 móc cẩu:

a

p

Sơ đồ làm việc của cọc trong quá trình cẩu lắp có thể xem là dầm đơn giản có gối tựa tạiđiểm móc cẩu và điểm tiếp xúc với đất