Phân chia các giai đoạn chuyển động của khối chân đế trong quá trình đánh chìm.. Chuyển động của khối chân đế trong quá trình đánh chìm được chia thành 5 giai đoạn như sau: Giai đoạn 1:
Trang 1Nghiên cứu bài toán đánh chìm khối chân đế công trình biển cố định thép bằng sà lan mặt boong:
cơ sở lý thuyết và các phần mềm ứng dụng
Ks Vũ Đan Chỉnh, KS Nguyễn Thị Hiệp
I MỞ ĐẦU
I-1.Khỏi quỏt cỏc phương phỏp thi cụng đỏnh chỡm cho cỏc cụng trỡnh biển cố định bằng thộp
I-1.1 Phương phỏp thi cụng đỏnh chỡm bằng cẩu nổi
- Phạm vi ỏp dụng: Phương phỏp thi cụng đỏnh chỡm bằng cẩu nổi thường ỏp dụng cho những khối chõn đế cú kớch thước và trọng lượng vừa và nhỏ, phự hợp với khả năng của cẩu
- Ưu điểm: Quy trỡnh thi cụng đơn giản, được cơ giới hoỏ
- Nhược điểm: Giỏ thành tương đối cao với cụng trỡnh xa bờ, khụng ỏp dụng được với những cụng trỡnh lớn ở độ sõu nước lớn
I-1.2 Phương phỏp thi cụng đỏnh chỡm bằng ponton
- Phạm vi ỏp dụng rộng rói bao gồm khối chõn đế quy mụ từ vừa đến lớn
- Ưu điểm: Cú thể đỏnh chỡm được những khối chõn đế kớch thước lớn, khụng cần thiết bị lớn
- Nhược điểm: Quy trỡnh thi cụng phức tạp, độ an toàn khụng cao
I-1.3 Phương phỏp thi cụng đỏnh chỡm bằng sà lan
1.3 Nội dung phương phỏp thi cụng:
Phương phỏp thi cụng đỏnh chỡm bằng sà lan thường chỉ phỏt huy ưu điểm đối với khối chõn đế lớn Bởi vậy, trong quỏ trỡnh thi cụng, thụng số trọng lượng khối chấn đế và độ sõu nước nơi xõy dựng cụng trỡnh rất cần được xem xột
Trong quỏ trỡnh đỏnh chỡm, tớnh ổn định của sà lan, cỏc trạng thỏi của khối chõn đế tại cỏc thời điểm chuyển động, đặc biệt là khi khối chõn đế chuyển động trong mụi trường nước cần được tớnh toỏn cẩn thận Mặt khỏc đối với khối chõn đế cú kớch thước lớn thỡ độ bền từng phần tử của nú cũng cần được xem xột khi vị trớ đỏnh chỡm cú độ sõu nước lớn
1.3.2 Cỏc bài toỏn
Xỏc định quỹ đạo trọng tõm khối chõn đế trong quỏ trỡnh đỏnh chỡm
Xỏc định lực tỏc dụng lờn dầm trượt của sà lan và bàn xoay, xỏc định quỹ đạo chuyển động của
sà lan
Xỏc định lực tỏc dụng lờn cỏc điểm nỳt của khối chõn đế trong quỏ trỡnh chuyển động
1.3.3 Mục đớch và ý nghĩa của đề tài
* Mục đớch
- Nghiờn cứu quỹ đạo chuyển động của khối chõn đế trong quỏ trỡnh đỏnh chỡm, từ đú thiết lập bảng tớnh (tỡm ra thuật toỏn) và ỏp dụng cụ thể vào tớnh toỏn thực tế
- Tỡm hiểu cỏch giải quyết bài toỏn bằng phần mềm chuyờn dụng như:SACS ( Structure Analysis Computer System)
* í nghĩa
- Làm sỏng tỏ bài toỏn, làm cơ sở cho việc tỡm hiểu tớnh toỏn bằng cỏc phần mềm chuyờn dụng
- Giải quyết được cỏc bài toỏn với điều kiện đơn giản bằng bảng tớnh
Trang 2II- CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA BÀI TOÁN ĐÁNH CHÌM
II-1 Phân chia các giai đoạn chuyển động của khối chân đế trong quá trình đánh chìm
Chuyển động của khối chân đế trong quá trình đánh chìm được chia thành 5 giai đoạn như sau:
Giai đoạn 1: KCĐ được trượt trên sà lan bởi tời, và chưa tiếp xúc với Rockerarm;
Giai đoạn 2: KCĐ tự trượt trên sà lan bởi nguyên nhân gây trượt là trọng lượng bản thân;
Giai đoạn 3: KCĐ chuyển động đến gần tâm xoay của bàn xoay;
Giai đoạn 4: KCĐ vừa trượt vừa xoay trên Rockerarm;
Giai đoạn 5: Là chuyển động của KCĐ sau khi rời sà lan
II-2 Các giả thiết tính toán
Giả thiết 1: Khối chân đế và sà lan là tuyệt đối cứng trong quá trình chuyển động
Giả thiết 2: Điều kiện gió là nhỏ (trong điều kiện thi công đánh chìm V1phút 10m/s
Giả thiết 3: Biên độ sóng là nhỏ, coi như mặt thoáng của biển là mặt phẳng
Giả thiết 4: Khối chân đế và sà lan không có chuyển động ngoài mặt phẳng:
- Khối chân đế và sà lan đối xứng qua trục Ox (O nằm trên mặt nước)
- Trong quá trình chuyển động, không phát sinh chuyển động theo Oy
II-3 Phân tích các giai đoạn chuyển động của khối chân đế
Giai đoạn 1:Khối chân đế chuyển động bởi tời
Trong giai đoạn này khối chân đế chưa thể tự trượt do sự kìm hãm của lực ma sát nên cần có sức kéo của tời để dịch chuyển Giai đoạn này kết thúc khi sà lan nghiêng góc đủ để lực trượt gây bởi trọng lượng bản thân lớn hơn lực ma sát tĩnh
Giai đoạn 2:Khối chân đế tự chuyển động bởi nguyên nhân gây trượt là trọng lượng bản thân
- Phương trình chuyển động của khối chân đế trên sà lan:
cos sin
kmg mg
x
Tức là: (sin cos )
k g
x (1-2)
G
N
Gcos
Fms Gsin
Hình 1: Phân tích chuyển động trong giai đoạn 2
Trong đó x = x(t) là dịch chuyển của trọng tâm khối chân đế theo phương x của hệ toạ độ địa phương của sà lan , = (t) là góc xoay của sà lan quanh trọng tâm, m là khối lượng khối chân đế,
G là trọng lượng khối chân đế =m.g, Fms là lực ma sát, N là phản lực vuông góc với mặt sà lan
Trang 3- Phương trình cân bằng tức thời của hệ sà lan + khối chân đế tại thời điểm t:
G WL
WL WL
WLo
Mo M1
M3 M4
M2
Z
N
B
B
B
B
B
K WL
Hình 2: Xác định momen phục hồi
Mô men gây nghiêng được tính theo công thức:
M ng G kcd.(xz.tg ).cos (2-2)
Mô men phục hồi được tính theo công thức:
).sin
2 ).(
V
I GM G
G
M hp kcd sl o (3-2) Vậy ta có phương trình cân bằng:
2 ).(
( cos )
V
I h G G tg
z x
G kcd kcd sl o (4-2) Trong đó Gkcđ, Gsl lần lượt là trọng lượng của khối chân đế và sà lan, V là thể tích chiếm nước của
sà lan sau khi đã nhận khối chân đế, I là mômen quán tính mặt đường nước quanh trục ngang khi
sà lan nghiêng góc , GMo = ho là chiều cao ổn định ban đầu của sà lan khi nhận trọng lượng khối
chân đế vào đúng tâm trọng lực của nó
x, z là khoảng cách từ trọng tâm khối chân đế đến trọng tâm sà lan như hình 3
Trang 4x
X
Z
G kcd z
Hình 3: Xác định momen gây nghiêng
Nhận xét: Kết hợp hai phương trình: (1-2) và (4-2), bằng phương pháp rời rạc hoá sẽ cho kết quả x
và tại từng thời điểm t, hình thành quỹ đạo của trọng tâm khối chân đế trong quá trình chuyển động trên sà lan
Giai đoạn 3: Trọng tâm khối chân đế dịch chuyển đến gần tâm xoay:
Khi trọng tâm khối chân đế dịch chuyển đến gần tâm xoay, sà lan tiếp tục nghiêng, nếu trọng lượng khối chân đế đủ tạo ra góc nghiêng lớn thì một phần của khối chân đế sẽ bị ngập trong nước, lúc này ngoài lực ma sát và trọng lượng bản thân, khối chân đế còn chịu thêm lực đẩy nổi và các thành phần lực cản thuỷ động như sẽ trình bày trong giai đoạn 5 sau đây Tại thời điểm bất kỳ ta có thể xác định được các thành phần lực này, tức là sẽ xác định được quỹ đạo chuyển động của khối chân đế
Giai đoạn 4: Khối chân đế vừa xoay vừa trượt trên bàn xoay:
Khi trọng tâm của khối chân đế bắt đầu vượt khỏi tâm xoay thì sẽ cùng chuyển động với bàn xoay Lúc này trọng lượng khối chân đế sẽ dồn hết lên bàn xoay gây nghiêng cũng như tạo lực ma sát đẩy sà lan về phía trước
Mặt khác toàn bộ khối chân đế được đỡ bởi phần ống tiếp xúc với bàn xoay, gây ra ứng suất tập trung lớn
Phương trình chuyển động tịnh tiến của khối chân đế trên bàn xoay bắt đầu từ thời điểm trọng tâm khối chân đế và khớp xoay cùng nằm trên phương thẳng đứng theo phương trình (1-2)
Phương trình chuyển động xoay của khối chân đế quanh tâm xoay được viết như sau:
J kcd mg(sin r02 x2 kcos h)
(5-2)
X
Z
O
x
ro mg
h
kmgcos
Hình 4: Phân tích chuyển động giai đoạn 4
Trong đó là góc xoay của bàn xoay, x là dịch chuyển của trọng tâm khối chân đế so với hệ trục toạ độ của bàn xoay, ro là khoảng cách từ trọng tâm khối chân đế đến tâm xoay ở trạng thái ban
Trang 5đầu, h là chiều cao của bàn xoay, là góc xoay của trọng tâm khối chân đế so với phương thẳng đứng:
o
r
x arctg
Jkcđ là mô-men quán tính khối lượng của khối chân đế quanh tâm xoay:
n
i
i i
J
1 2
Kết hợp hai phương trình (1-2) và (5-2) ta sẽ xác định được quỹ đạo trọng tâm khối chân đế theo thời gian
Giai đoạn 5: Khối chân đế chuyển động trong môi trường nước:
* Xác định thành phần lực thuỷ động:
Xét một phần tử thanh chuyển động, có phần lc ngập dưới nước, thành phần lực thuỷ động tập trung tại trọng tâm phần tử tính được như sau:
Fh= Fd+ Fa (6-2) Trong đó: F d C d Dl c v n v n
2 1
k n
n k
dt
dm a m
Trong đó lc là chiều dài thanh chìm trong nước, mk là khối lượng nước kèm, vn, an lần lượt là vận tốc và gia tốc của trọng tâm phần tử
Gt
l u
j
i
lc
Hình 5: Phân tích lực tác dụng giai đoạn 5
Khác với phương trình Morison, do có thêm thành phần lực gây ra do sự thay đổi của khối lượng nước kèm trong từng thời điểm:
k n k n
n n c d
dt
dm v v l D C
2
1
(7-2)
* Phương trình chuyển động tổng quát sau khi rời sà lan:
Fh+ Fo=m (8-2) a
Trang 6Trong đó:
Fo: tổng vec-tor các lực : bao gồm trọng lượng bản thân và lực đẩy nổi
Fh: tổng vec-tor thành phần lực thuỷ động: bao gồm lực cản vận tốc và lực ma sát quán tính
a: gia tốc chuyển động của trọng tâm khối chân đế
- Giả thiết nút của kết cấu là tuyệt đối cứng, tại đó có vận tốc là v bao gồm thành phần vận tốc j
chuyển động tịnh tiến và thành phần vận tốc xoay quanh trọng tâm kết cấu:
v j v CG r (9-2) với r là vec-tor khoảng cách từ trọng tâm khối chân đế đến nút j
- Trên thanh chiều dài l từng điểm dọc theo trục thanh sẽ có vận tốc theo vận tốc nút là:
v p v j l u ( u là vec-tor độ dài theo hướng)
với là vec-tor vận tốc góc
Thành phần pháp tuyến của vận tốc tại điểm bất kỳ là:
v pn uv p u
j a i b l u v u v
v pn j j (10-2)
với a,b,c là toạ độ thành phần theo phương x, y, z của u
Tại mỗi điểm trên phần tử thanh bất kỳ vec-tor vận tốc được xác định thông qua vận tốc tại nút.( Chú ý là vận tốc và vận tốc góc tại trọng tâm là đã biết trước)
- Thành phần vận tốc aj tại điểm j được xác định như sau:
a j a CG r r
2
(11-2)
Trong đó:
r
: là thành phần gia tốc pháp tuyến
r
2
: là thành phần gia tốc hướng tâm Tương tự phương trình trên ta được giá trị aP và aPn tại điểm bất kỳ trên kết cấu:
a P a CG rlu rlu
2
(12-2)
a pn ua P u (13-2)
y
x
Q a l a
a pn 1 2 (14-2)
Trong đó:
y
x, là thành phần của aCG theo hướng x và y;
k by ax c j abx y b i
aby x a
a1 2 1 2 1 2
Trang 7
a2 2 2 2
[Q]=
c ay bx bc
ac
la aby x b b
ab
lb y a abx
ab a
2 2
2 2
1 1
1 1
Với a,b và c là toạ độ theo phương x, y, z của vec-tor đơn vị u, và x,y, z là thành phần vủa vec-tor
vị trí r
- Kết hợp tất cả các phương trình này ta được:
y
x Q F
F h v m
(15-2)
- Fv phụ thuộc vận tốc của Fh, nếu thành phần Fz không được quan tâm Các thành phần của lực thuỷ động có thể thay bằng momen quanh trục z là Mz
y
x
Q F
F F
F F
F
m zv
yv xv
z y
x
(16-2)
- Fxv, Fyv và M zv là thành phần lực phụ thuộc vận tốc;
- [Qm] đặc trưng cho thành phần lực phụ thuộc gia tốc
Trang 8III GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHƯƠNG TRÌNH SACS
III-1 Giới thiệu chung về chương trình
III-1.1 Tên và phạm vi ứng dụng
- SACS là viết tắt của ‘’Structure Analysis Computer System’’ là một hệ thống chương trình tính
toán kết cấu thông qua máy vi tính
- Phạm vi ứng dụng: Có thể sử dụng trong tính toán công trình biển cũng như công trình dân dụng
- Các bài toán có thể giải quyết bằng chương trình bao gồm:
Tính toán phân tích tĩnh học tuyến tính:
+ Tính toán bài toán tĩnh học;
+ Tính toán tĩnh với các phần tử dạng Gap(các phần tử chỉ chịu nén không chịu kéo);
+ Phân tích bài toán biến dạng lớn;
+ Tính toán sự tương tác giữa cọc và nền đất;
+ Phân tích sự phá huỷ dẻo
Tính toán động lực học:
+ Bài toán dao động riêng;
+ Tính toán phản ứng động khi biết phổ gió, phổ sóng, phổ động đất;
+ Phân tích ảnh hưởng của băng tuyết
Kiểm tra độ bền và phá huỷ của kết cấu:
+ Kiểm tra độ bền các phần tử và nút liên kết;
+ Phân tích phá huỷ mỏi
Tính toán các bài toán chuyên ngành khác:
+ Phân tích tính toán vận chuyển, đánh chìm và dựng lắp công trình biển;
+ Phân tích bài toán cọc;
+ Cơ học vật thể rắn;
+ Cơ học vật thể nổi
III-1.2 Các modul chính
Model:
- Là Modul các thông số đầu vào dưới dạng Graphic;
- Bao gồm từ việc mô tả các phần tử, đặc trưng phần tử, sơ đồ kết cấu đến việc mô tả tự động các loại tải trọng, trạng thái biển và các công cụ phân tích
Data file:
- Là Modul các thông số đầu vào dưới dạng text;
- Bao gồm việc mô tả những điều kiện đặc trưng của bài toán
Một sơ đồ kết cấu dạng modul ‘model’ có thể kết hợp với nhiều dạng lệnh trong ‘data file’ để thực hiện phân tích các bào toán khác nhau
III-1.3 Các quy ước cơ bản và giới hạn tính toán trong bài toán đánh chìm bằng sà lan:
Quy ước hệ toạ độ
- Hệ toạ độ tổng thể gắn với mặt nước Oxz (O nằm trên mặt nước);
- Hệ toạ độ sà lan có tâm O1 trùng với điểm đầu mút của trục mặt phẳng đáy sà lan, có trục O1x1 // với đáy sà lan
Trang 9O Z
X
Hình 6: Hệ toạ độ sà lan
- Hệ toạ độ khối chân đế gắn với trọng tâm khối chân đế, có tâm O2 trùng với Gkcđ, có trục O2x2 vuông góc với mặt phẳng các Diafragm
- Hệ toạ độ địa phương của bàn xoay quy ước như hình vẽ
Z
Z
X
Điểm tâm xoay
Hình 7: Hệ toạ độ bàn xoay
Giới hạn tính toán
- Tự động phân tích các giai đoạn chuyển động;
- Tính toán trọng lượng KCĐ và lực cản trên phần tử dầm và bản;
- Thiết lập các trường hợp tải trọng phân phối và tải trọng nút cho từng bước thời gian;
- Trọng lượng hay lực đẩy nổi của những thành phần phi kết cấu có thể được tự tính toán khi khai báo trong file số liệu đầu vào;
- Diện tích cản có thể được đặt vào dữ liệu đầu vào để tinh toán lực cản của những thành phần không được mô tả trong sơ đồ kết cấu;
- Có khả năng mô tả biến dòng chảy;
- Tự động xác định trọng lượng sà lan và các đặc trưng thuỷ động dựa vào những kích thước khai báo ở đầu vào;
- Cho phép phân tích chuyển động với vận tốc ban đầu của tời đã được nhập
III-2 Các câu lệnh và ý nghĩa từng thông số trong bài toán đánh chìm
TITLE: Đặt tên cho bài toán
Ví dụ: NCKH- DANH CHIM KCD BANG SA LAN MAT BOONG
LAUNCH: Câu lệnh khởi động cho bài toán đánh chìm, trong đó cần khai báo các thông số cơ bản sau:
- Đơn vị cho các thông số đầu vào và đầu ra Ví dụ: MN- Hệ đơn vị m và N
- Hiển thị các thông số gia tốc, vận tốc, chuyển vị…
- Số pha cơ bản: bao gồm 5 pha ( như đã trình bày trong phần cơ sở lý thuyết)
- Chiều sâu nước tại nơi đánh chìm;
- Tỷ trọng nước biển
TIME: Câu lệnh quản lý các thông số thời gian, bao gồm:
Trang 10- Mốc thời gian dừng quá trình tính toán đánh chìm, với mặc định thời điểm ban đầu là 0 Trong
đó, quyết định tính toán dừng ở pha nào trong toàn bộ quá trình
- Số gia thời gian trong từng pha Pha nào chiếm thời gian dài thì lấy số gia lớn, còn pha nào chiếm thời gian ngắn thì lấy số gia nhỏ
RESTART:
JACKET: Câu lệnh khai báo vị trí tương đối của khối chân đế so với sà lan
- Khai báo 3 điểm của khối chân đế tạo mặt tiếp xúc của nó với mặt boong
Hình 8: Mặt phẳng tiếp xúc quy ước
- Khoảng cách từ mũi sà lan đến điểm thứ nhất ( Theo phương X);
- Độ dài của dầm trượt;
- Hướng dương trong quá trình đánh chìm
- Tỷ trọng vật liệu các phần tử kết cấu và phi kết cấu;
- Khoảng cách từ trọng tâm khối chân đế đến trọng tâm sà lan ( Theo phương Y)
JACKET2 AREA: Khai báo thêm các thông số của các thành phần không được mô tả trong sơ
đồ kết cấu Ví dụ: các protector, mudmad… là các thành phần có thể tạo lực cản
- Điểm đặc trưng cho vật thể (Gắn với một nút cụ thể của khối chân đế)
- Diện tích chắn gió theo các phương X, Y, Z
- Các hệ số cản vận tốc và cản gia tốc
BARGE1: Khai báo các thông số hình học cơ bản của sà lan
- Chiều cao của sà lan;
- Chiều rộng của sà lan;
- Chiều dài đáy của sà lan;
- Độ dài mũi, độ dài đuôi (là độ dài đại số kể từ đáy);
- Số phần chia đáy và mạn
BARGE2:Khai báo dầm trượt, bàn xoay và các đặc trưng thuỷ động khác
- Chiều cao từ mặt boong đến tâm ống;
- Vị trí của khớp xoay tính từ gốc toạ độ của sà lan;
- Chiều cao của bàn xoay;
- Tốc độ thả tời;
- Các hệ số ma sát thuỷ động;
- Khoảng cách giữa hai bàn xoay
ANCHOR: Khai báo các đặc trưng của neo (Đối với bài toán kể đến ảnh hưởng của neo trong quá trình đánh chìm)
- Chiều dài cáp neo;
- Trọng lượng 1m dài neo chìm trong nước;
Launch direction
Aft
J2
J3
l
