TIỂU LUẬN: CTB MỀM PT NỔIĐỀ BÀI: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG DÂY NEO 2 PHÍA CỦA CÔNG TRÌNH BÁN CHÌM (SEMIFPU)Cho kết cấu bán chìm được neo giữ bởi 1 cặp dây neo đối xứng, chịu tải trọng ngang với các số liệu ban đầu (Ho, d, và q) có giá trị như trong bảng dưới đây. 1 Tính toán và vẽ các đường quan hệ H(x) cho 1 dây neo đơn, dựa trên các giá trị của lực theo phương ngang thay đổi: Hi = ai H0. 2 Tính toán các điểm cực trị dịch chuyển của dây và lực ngang H khi dây trùng hoàn toàn và dây căng hoàn toàn. 3 Vẽ các đường quan hệ H(x) cho 1 cặp dây neo đối xứng.4 Tính hệ số an toàn về bền cho dây neo trường hợp nguy hiểm nhất.5 Lập bảng tính tải trọng ngang R. Vẽ đường quan hệ R(x). Nhận xét kết quả.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Khoa Xây Dựng Công trình Biển và Dầu khí
***********
TIỂU LUẬN CTB MỀM VÀ PT NỔI
TÍNH TOÁN HỆ THÔNG DÂY NEO HAI PHÍA CỦA
CÔNG TRÌNH BIỂN BÁN CHÌM
SVTH: NGUYỄN VĂN HIẾU – MSSV: 8651.57
NGUYỄN MẠNH CƯỜNG – MSSV: 10106.57 NGUYỄN THẾ ANH – MSSV: 9512.57
NHÓM: 8 GVHD: TS PHẠM HIỀN HẬU
Trang 2
TIỂU LUẬN: CTB MỀM & PT NỔI
ĐỀ BÀI: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG DÂY NEO 2 PHÍA CỦA CÔNG TRÌNH BÁN CHÌM (SEMI-FPU)
Cho kết cấu bán chìm được neo giữ bởi 1 cặp dây neo đối xứng, chịu tải trọng ngang với các số liệu ban đầu (Ho, d, và q) có giá trị như trong bảng dưới đây
1/ Tính toán và vẽ các đường quan hệ H(x) cho 1 dây neo đơn, dựa trên các giá trị của lực theo phương ngang thay đổi: Hi = ai H0
2/ Tính toán các điểm cực trị dịch chuyển của dây và lực ngang H khi dây trùng hoàn toàn
và dây căng hoàn toàn
3/ Vẽ các đường quan hệ H(x) cho 1 cặp dây neo đối xứng
4/ Tính hệ số an toàn về bền cho dây neo trường hợp nguy hiểm nhất
5/ Lập bảng tính tải trọng ngang R Vẽ đường quan hệ R(x) Nhận xét kết quả
Trang 3
-I. CÁC SỐ LIỆU ĐẦU VÀO:
- Các giá trị Hi: Hi=ai.H0, với ai được lấy theo các giá trịn sau:
ai= 1; 0.9; 0.8; 0.7; 0.6; 0.5; 0.4; 0.3; 0.2; 0.1; 0.05
(để xây dựng đồ thị H(x) ở bên trái trục tung)
ai=1; 1.2; 1.4; 1.6; 1.8; 2.0; 2.2; 2.4; 2.6; 2.8; 3.0
(để xây dựng đồ thị H(x) ở bên phải trục tung)
- Các số liệu cho trước:
Nhóm Ho(kN) d (m)
Đường kính xích (mm) Loại xích
Hạng xích
q (kN/m)
Lực kéo đứt tối thiểu TBr
(kN)
Bảng 1: Các số liệu cho trước
Trong đó:
H0(kN) = T0 – lực căng ban đầu ( chưa chịu tải trọng) của dây neo tại đáy biển ( trạng thái dây căng tới hạn);
d(m) – độ sâu nước;
q(kN/m) – trọng lượng bản thân dây neo trong nước biển
Trang 41. Đặt bài toán:
Xét một công trình nổi được neo giữ bằng một dây neo OBA (OA là đoạn dây ảo,BA là đoạn dây thật) Tại điểm A dây neo gắn với kết cấu nổi có góc xiên θA,còn điểm B dây neo nối với neo có góc xiên θA,còn tại điểm B dây neo nối với neo có góc xiên θB.
Hình 1.Sơ đồ bài toán tĩnh lực học đường dây neo đơn.
Trong đó:
o
T : thành phần lực nằm ngang của lực căng dây =H0 =HA
B
θ :góc xiên tại điểm B , θ0
=0 LAB:chiều dài dây neo nằm giữa điểm A và điểm B
2. Giải bài toán:
Trang 5Giả sử kéo dài đoạn dây từ điểm B đến điểm O để tiếp tuyến của dây neo là 1 đường thằng nằm ngang Việc kéo dài này không làm ảnh hưởng đến nội lực của dây
Các phương trình cân bằng của đường dây neo:
Σ
T P L q V
Z = 0 ⇒ = = = sin θ
Σ
Lực căng trong dây neo tại điểm A:
2 2
A A
Xét 1 đoạn dây neo có chiều dài s, ta có:
θ
cos
ds
dx =
Hoành độ của điểm A được xác định bằng công thức: (LA=LOA)
∫
∫ =
= A A
L L
x
0 0
cos θ
Ta có:
H
V tg
+
θ
1
1 cos
2
Đặt: V=s.q; H=T0
Suy ra:
γ
θ = =
0
.
T
s q tg
;
ds T
q
0
=
γ
;
γ
d q
T
.
Trang 6γ γ
γ
d q
T x
A
0
0 1
1
+
= ∫
với
A
T
q
.
0
=
γ
Tính tích phân trên ta nhận được:
) (
0
0
A
T
q arsh q
T
x =
(công thức thể hiện mối quan
hệ giữa lực căng dây và chiều dài dây)
Suy ra:
) ( 0
0
A
T
q sh q
T
Tương tự ta cũng cóo:
) (
0
0
B
T
q sh q
T
L =
(Với LB=LOB) Vậy chiều dài của dây neo giữa điểm A và B là:
Tương tự ta có:
Vậy phương trình dây neo là:
) 1 ( 0
T
q arch q
T x
3. Chiều dài tối thiểu của đường dây neo:
Chiều dài tối thiểu của đường dây neo tức là chiều dài dây neo khi tiếp
tuyến với đường dây neo tại vị trí dây liên kết với neo là đường nằm ngang
Trang 7Trường hợp lực căng tới hạn, điểm O trùng với điểm B, tức là xB =0,
0
zB = Khi đó:
) ( 0
0
A
T
q sh q
T
Quan hệ giữa lực căng dây và chiều dài dây:
) L T
q ( Arsh q
T x
o
o
A =
Suy ra
min o ( )
A o
=
Ta lại có:
] 1 ) x T
q ( ch [ q
T
o
o
⇒
qd T
q z T ) x T
q ( ch
0
Mặt khác :
)] L T
q ( Arsh q
T T
q [ ch T ) x T
q ( ch q
T qd T
o
o o o A
o
o
2 0 0
2 o
T
q ( 1 T ] ) L T
q ( 1 Arch [
ch
=
(*)
] ) L T
q ( 1 [ T ) qL ( T T V
o
2 o 2 2
o
2 o
2 A
(**)
Từ (*) và (**) ⇒ T2=(To+qd)2 (1)
và To2=T2−VA2=(qd+To)2−(qL)2 (2)
Từ biểu thức (2) suy ra:
) d d
L ( 2
q
To= 2−
(3)
Từ biểu thức (3) suy ra:
1 qd
T 2 d
L = o +
Vậy ta có:
1 qd
T 2 d
Lmin= o +
Trang 8
) ( 77 241 70
66 , 1
635 2 70
Từ đó suy ra:
02 228 ) (
o
T
q arsh q
T x
;
Vậy ta có bảng tính toán các thông số ban đầu như sau:
L min (m) x Ao (m) V Ao (kN)
III. Lập đường cong quan hệ H(x) với x<0 của dây neo 1 phía:
(Kết cấu nổi di chuyển sang trái)
1. Đặt bài toán:
Khi điểm A dịch chuyển từ vị trí ban đầu A0 sang bên trái tới các vị trí A−1, 2
A− ,A−3, , A−n , thì dây neo bị chùng dần và chiều dài đoạn dây neo tiếp đất tăng dần lên
X-1
Ao A- 1
Bo
x
Z
X B1
X A-1
X Ao
B 1 To
V A
Hình 2 Trường hợp điểm A dịch chuyển sang trái.
Trang 9Trong đó:
2 0
0B L L
Các số liệu ban đầu là: L =L0; d = zA 0 và q.
Khi A dịch đến A−1 thì L−1<L0và H−1<Ho
2. Giải bài toán:
Từ các thông số ban đầu như trên, ta chọn giá trị L-1 < L0, tính được các giá trị sau:
1
V− = −
) d d
L ( 2
q
−
) 1 d H
q ( Arch q
H x
1
1 1
−
−
−
) x H
q ( sh q
H
1
1
−
−
1 1
X-1= XAo – (XA-1 + XB-1) Thực hiện các bước tính toán trên cho trường hợp điểm A dịch chuyển đến vị trí A
-2, A-3, , A-n xác định được các giá trị xA−2
, xA−3
,…,xA−n
Khi điểm A đạt tới vị trí A−nthì L−n =d
Hoành độ của điểm B−n sẽ là :
Trang 10d L
n = −
và điểm A dịch chuyển đi một đoạn là :
) d L ( x
x−n = A0 − 0−
Cuối cùng ta vẽ được đồ thị quan hệ H=f(x) cho trường hợp điểm A dịch chuyển về bên trái
3. Tính toán cụ thể:
Dựa trên các giá trị của lực theo phương ngang thay đổi: Hi = ai H0, trong
đó ai có các giá trị được cho như dưới đây:
ai =1; 0,9; 0,8; 0,7; 0,6; 0,5; 0,4; 0,3; 0,2; 0,1; 0,05.
Bảng 3.Tính toán dịch chuyển sang trái của điểm A
Ở trạng thái dây trùng hoàn toàn
x-n = 56.25 (m)
Trang 11Đồ thị: Đường cong quan hệ H (x) với x<0 của dây neo 1 phía.
IV. Lập đường cong quan hệ H(x) với x >0 của dây neo 1 phía (Kết
cấu nổi di chuyển sang bên phải)
Trang 12Giả sử từ vị trí cân bằng ban đầu A0 điểm A dịch chuyển sang bên phải tới các vị trí
1
A , A ,2 A , , 3 A , tức là sự dịch chuyển của kết cấu nổi làm cho dây neo bị n
căng và góc θB≠0
X1 Xn
Ao A 1 An
B
B 1
x
Z
Z 1
x 1
X A1
Hình 4 Trường hợp điểm A dịch chuyển sang phải
Trong đó: - Chiều dài của dây neo L0=Lmin,
- Góc tiếp tuyến của dây neo với phương ngang tại điểm neoθB≠0,
- Lực căng ban đầu: Ho=To ,
- Chiều cao điểm A0 so với đáy biển: d = zA0 = const,
- Trọng lượng của dây neo nằm trong nước trên đơn vị chiều dài:q
Chọn L1>L0, hay kéo dài dây neo đến điểm B
1 sao cho θB1 = 0 (ký hiệu LA1B1 = L1).
2. Giải bài toán:
Xác định tung độ của điểm B1 (tính zB1) theo phương pháp lặp qua các bước sau:
Cho Hi > Ho
Trang 13Giả định ZBi
Tính Li
Tính Hitt
] z z
) L L ( [ 2
q
1
B B
2 0 1
So sánh Hitt với Hi, nếu sai số
0.1%
itt i i
H
−
∆ = <
lấy giá trị ZBi Nếu
>0.1% tiến hành lại chu kì lặp
Xác định hoành độ của điểm B1:
)]
L L ( H
q [ Arsh q
H ) L H
q ( Arsh q
H
1
1 B
1
1
Xác định hoành độ điểm A1:
) 1 z
H
q ( Arch q
H
1
1
Xác định hoành độ x1 :
) x x
( x
x1= A1 − A0 + B1
Trạng thái dây căng hoàn toàn xảy ra khi: xn= L20− d2 − xA 0
3.Tính toán cụ thể:
Dựa trên các giá trị của lực theo phương ngang thay đổi: Hi = ai H0, trong đó ai có
các giá trị được cho như dưới đây:
Trang 14ai = 1; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,6; 2,8; 3,0.
Trạng thái dây căng hoàn toàn:
0 A 2 2 0
Đồ thị đường cong H (x) với x>0 của dây neo 1 phía.
(%)
Trang 15V.Lập đường cong quan hệ H(x) của cặp dây neo
Ghép đường cong H(x) với đầu trên của dây neo 1 phía di chuyển cả 2 phía, và sử dụng tính chất đối xứng ban đầu (khi chưa chịu tải ngang R) của cặp dây neo, ta được
2 được cong H 1 (x) và H 2 (x) của cặp dây neo.
Ta có bảng tính toán:
Điểm A dịch chuyển sang trái Điểm A dịch chuyển sang phải
X -i H -i (kN) X i H i (kN) X i H i (kN) X -i H -i (kN)
Hình 7 Đường cong quan hệ H(x) với 1 cặp dây neo
VI. Tính hệ số an toàn về bền
Trang 16
R K S
=
Trong đó:
R- Lực đứt tối thiểu của dây neo hoặc lực giữ tối thiểu của dây neo; S- Lực tác dụng lên dây neo hoặc neo khi làm việc
Tính toán tại thời điểm nguy hiểm nhất tại vị trí 10
Hmax = 1905 (kN)
T = qL0= = 401.34 (kN)
Lực căng lớn nhất trong dây là
0
T = H + (q.L ) =
1946.82 (kN) Vậy hệ số an toàn sẽ là:
max
br
T K T
=
= 4.034
Trang 17VII. Lập đường cong quan hệ R(x)
1. Phương pháp thiết lập
Công thức tính lực môi trường tác dụng lên 1 cặp dây neo:
R (x) = H 1(x) - H 2(x)
Dây 2
H
X Ho
Dây 1
X-n
1
H2(x)
H1(x)
R(x)
Hình 8 Xác định đường cong quan hệ R(x) với 1 cặp dây neo
Ứng với mỗi thời điểm ta tính được 1 lực R(x), từ đó ta vẽ được 1 đường cong tác dụng của lực môi trường, lấy đối xứng ta cũng được đồ thị của lực môi trường tác dụng lên 1 cặp dây
Xác định bằng phương pháp giải tích:
Với H1 = H2 = H0 ta giữ nguyên giá trị Hi ứng với X1 đến X10 của dây neo
dịch chuyển sang phải
Xác định H sao cho X = X
Trang 18Vẽ đường cong quan hệ R(x)
Bảng 5 Tính H 2
Bảng 6 Tính R(x)
Trang 199 -4.22 1360 4.22
Hình 9 Đường cong quan hệ R (x) với 1 cặp dây neo
2. Lập luận và giải thích
Khi phương tiện nổi chịu tác dụng của tải trọng ngang R theo hướng từ trái sang phải, dây neo 1 bị căng tạo thành lực ngang H1 dây neo 2 ít căng hơn tạo thành lực ngang H2 trong dây neo H1 làm cho đầu dây neo dịch chuyển sang phải, H2 làm cho đầu dây neo dịch chuyển sang trái Khi đó phương tiện nổi chịu tác động các lực ngang như hình vẽ
Giá trị của ngoại lực tác dụng được tính theo công thức
R = H1 – H2
VIII. Nhận xét kết quả của các đồ thị
1. Đồ thị đường cong quan hệ H(x) của một cặp dây neo
Quan hệ giữu lực ngang H và chuyển vị của dây neo là quan hệ phi tuyến
Biên độ dịch chuyển của đầu dây neo khi dây trùng lớn hơn rất nhiều biên độ dịch chuyển khi dây căng
Từ đồ thị quan hệ H(x) ta có thể tìm lực căng cực đại Tmax trong dây neo, từ đó lựa chọn kích thước dây phụ thuộc vào hệ số an toàn được chọn
Trang 20br
T K T
=
2. Đồ thị đường cong quan hệ R(x)
Quan hệ giữa lực ngang của môi trường và chuyển vị đầu dây neo là quan
hệ phi tuyến
[ ]
R e
T
=
Khi tính được lực căng cho phép ta tính được hệ số hiệu quả của cặp dây neo:
Trong đó :
e là hệ số hiệu quả của cặp dây neo
R là lực ngang do 2 đường dây neo tác dụng lên kết cấu nổi