Tính toán đường dây neo có kể đến vật cản

TÍNH TOÁN ĐƯỜNG DÂY NEO CÓ KỂ ĐẾN VẬT CẢN<br /> <br /> TS. Nguyễn Quốc Hoà<br /> Viện Xây dựng Công trình biển-Đại học Xây dựng<br /> <br /> Tóm tắt:<br /> Hệ thống dây neo được sử dụng rộng rãi để neo đậu các công trình nổi. Bài báo<br /> này trình bày kết quả tính toán tĩnh lực học đường dây neo có kể đến vật cản và so<br /> sánh với trường hợp dây neo không có vật cản. Kết quả cho thấy sử dụng vật cản có<br /> thể hạn chế đáng kể sự dịch chuyển của công trình nổi và tiết kiệm dây neo.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Hệ thống dây neo được sử dụng rộng rãi để neo đậu các công trình nổi. Chiều dài<br /> dây neo được lựa chọn từ điều kiện chịu lực đảm bảo cho công trình nổi ổn định vị trí<br /> trong quá trình neo đậu. Trong những trường hợp cần khống chế phạm vi dịch chuyển<br /> của công trình nổi, người ta bố trí các vật nặng gắn kết với dây neo (sau này gọi là vật<br /> cản) để giảm tác dụng của lực môi trường truyền qua công trình nổi và dây neo xuống<br /> neo đặt dưới đáy biển. Giải pháp này cho phép giảm chiều dài dây neo, tiết kiệm các<br /> chi phí xây dựng.<br /> Nội dung dưới đây sẽ trình bày kết quả tính toán tĩnh lực học đường dây neo có kể<br /> đến vật cản và so sánh với trường hợp dây neo không có vật cản.<br /> <br /> 2. CÁC BÀI TOÁN VỀ DÂY NEO<br /> Trong tính toán thiết kế hệ thống neo bài toán tĩnh lực học đường dây neo là bài<br /> toán cơ bản cần được xem xét trước hết. Dưới đây sẽ trình bày lý thuyết tính toán dây<br /> neo không có vật cản và bài toán dây neo có vật cản. Sau đó các tính toán số sẽ cho<br /> phép so sánh hai trường hợp đã nêu.<br /> <br /> 2.1 Bài toán dây neo không có vật cản<br /> <br /> Bài toán tĩnh lực học đường dây neo được xét với các giả thiết sau:<br /> - Bỏ qua lực tác động trực tiếp của các yếu tố môi trường biển (sóng, dòng<br /> chảy) lên dây neo. Dây neo làm nhiệm vụ truyền tác động của các yếu tố môi trường<br /> biển lên công trình nổi xuống neo đặt ở đáy biển.<br /> - Bỏ qua biến dạng đàn hồi của dây neo khi chịu lực<br /> Các giả thiết trên tương đương với việc coi lực ngang tác dụng lên mọi điểm trên<br /> chiều dài dây neo là như nhau.<br /> Xét bài toán cân bằng tĩnh của đường dây neo đơn cho trên hình 1 với các thông số<br /> sau: d - độ sâu nước; dây neo L AC có trọng lượng trong nước trên chiều dài đơn vị q<br /> với đoạn treo trong nước chiều dài L BC , đoạn nằm trên nền đáy biển có chiều dài<br /> L AB . Góc giữa đường tiếp tuyến với dây neo và mặt phẳng nằm ngang tại điểm B là<br /> θB = 0 . Tại điểm A dây neo được nối với neo cố định ở đáy biển, tại điểm C dây neo<br /> được nối với công trình nổi hoặc phao dùng để neo công trình nổi. H - lực căng ngang<br /> 1<br /> ban đầu giữ công trình nổi ở vị trí cân bằng tĩnh. Chiều dài L AB được gọi là độ dài dự<br /> trữ thường được chọn sao cho khi vật thể nổi dịch chuyển sang ngang dưới tác dụng<br /> của lực môi trường, điểm B dịch chuyển đến vị trí điểm A sao cho θ A = 0 .<br /> Ở trạng thái cân bằng tĩnh, chiều dài đoạn dây neo L BC được xác định theo công<br /> thức sau:<br /> <br /> 2H z2 z1 vc Tc<br /> L BC = L min = d +1 (1) C C1 C2<br /> qd H H1 H2<br /> Và khoảng cách x c được xác định<br /> theo công thức: z c2 d z<br /> <br /> H q s<br /> x c = D + Arsh( L BC ) (2) H A<br /> q H z a2 B θb =0<br /> x, x1<br /> x2<br /> Gọi lực môi trường tác dụng bổ sung o θo =0<br /> xa2<br /> D<br /> xc<br /> theo phương ngang là R: xc1<br /> xc2<br /> R = H1 − H (3)<br /> Lực căng trong dây neo tại điểm C: Hình 1<br /> Tc = H + qd (4)<br /> <br /> Dưới tác dụng của R vật thể nổi dịch chuyển theo phương ngang và điểm C dịch<br /> chuyển tới điểm C1 , điểm B dịch chuyển tới điểm A và θ A = 0 .<br /> Khoảng cách x c1 được xác định theo công thức sau:<br /> H1  q <br /> x c1 = Arsh L AC  (5)<br /> q  H1 <br /> L AC = D + L BC (6)<br /> Độ dịch chuyển ngang của điểm C sẽ là:<br /> H  q  H q <br /> CC1 = 1 Arsh L AC  − D − Arsh L BC  (7)<br /> q  H1  q H <br /> Giả sử dưới tác dụng của lực ngang H 2 > H điểm C dịch chuyển ngang đến vị trí<br /> mới C 2 với CC 2 > CC 1 và chiều dài dây neo L OC 2 = L1 (hình 2). Khi đó, tại điểm A<br /> sẽ xuất hiện lực nhổ neo theo phương đứng VA và θ A ≠ 0 .<br /> Các thông số của đường dây neo trong trường hợp này sẽ là:<br /> L OA = L1 − L AC (8)<br /> Xét đoạn dây L OA có:<br /> q L2<br /> H 2 = [ OA − z a 2 ] (9)<br /> 2 z a2<br /> Đối với đoạn dây L OC 2 cũng có:<br /> q L21<br /> H2 = [ − z c2 ] (10)<br /> 2 z c2<br /> trong đó: z c2 = d + z a 2 (11)<br /> 2<br />  Với giả thiết lực căng ngang tại mọi điểm trên đường dây neo, từ các biểu thức<br /> (10) và (11) nhận được:<br /> L2OA L21<br /> − z a2 = − (d + z a 2 ) (12)<br /> za2 d + za2<br /> L21 ( L1 − L 0 ) 2<br /> Suy ra: − = d. (13)<br /> d + z B1 z B1<br /> Giải phương trình bậc hai (13) xác định được z a 2 và z c 2 = z a 2 + d .<br /> Tiếp theo, thay giá trị z a 2 vào công thức (9) để xác định lực căng ngang H 2 .<br /> Khoảng cách x a 2 được xác định theo công thức sau:<br /> H q H q<br /> x a 2 = 2 Arsh( L OA ) = 2 Arsh[ (L1 − L AC )] (14)<br /> q H2 q H2<br /> Hoành độ của điểm C 2 :<br /> H q<br /> x c 2 = 2 Arch( z c 2 + 1) − x a 2 (15)<br /> q H2<br /> Độ dịch chuyển của điểm C đến điểm C 2 :<br /> CC 2 = x c2 − x c (16)<br /> Lực nhổ neo tại điểm A theo phương đứng sẽ là:<br /> VA = q ⋅ L OA (17)<br /> Lực căng trong dây neo:<br /> Tc2 = Vc22 + H 22 = H 2 + q ⋅ z c 2 (18)<br /> trong đó: Vc 2 = q ⋅ L OC 2<br /> Điều kiện làm việc an toàn của dây neo:<br /> TC < [ T ] (19)<br /> trong đó [ T ] - lực căng cho phép trong dây neo, lấy theo tiêu chuẩn thiết kế [*].<br /> Lần lượt xét sự dịch chuyển ngang của điểm C sẽ xác định được lực nhổ neo,<br /> lực căng trong dây neo để xét khả năng giữ của neo và sự làm việc an toàn của dây neo<br /> và các thiết bị liên kết giữa dây neo với neo và công trình nổi.<br /> <br /> 2.2 Bài toán dây neo có vật cản<br /> <br /> Trong thực tế khi cần khống chế sự dịch chuyển ngang của điểm neo C có thể<br /> lựa chọn giải pháp tăng khả năng giữ của neo và chọn kích thước dây neo để tăng giá<br /> trị trọng lượng đơn vị trong nước q. Việc tăng khả năng giữ của neo phụ thuộc vào<br /> công nghệ chế tạo neo. Việc tăng kích thước dây neo sẽ dẫn đến tăng kinh phí đầu tư<br /> xây dựng. Để giải quyết bài toán hạn chế dịch chuyển của điểm C người ta thường bố<br /> trí các vật nặng dạng trọng lực gắn với đường dây neo (sau này sẽ gọi là vật cản) nhằm<br /> triệt tiêu bớt lực tác dụng truyền từ công trình nổi xuống neo thông qua dây neo..<br /> Xét trường hợp dây neo trên hình 2 gắn thêm vật cản có trọng lượng Ws tại<br /> điểm B và bị nâng lên khỏi mặt đất, với điều kiện biên tại điểm neo như sau:<br /> <br /> <br /> 3<br />  dz<br /> xA = 0 , zA = 0 , =0 (20)<br /> dx A<br /> Trong trường hợp này điểm B trở thành điểm gẫy, khi đó có:<br /> T (s) ⋅ cos θ(s) = H = cons tan t , (21)<br /> T (s) ⋅ sin θ(s) = F(s) (22)<br /> <br /> trong đó: 2vc Tc 2<br /> z2 z1<br /> qs s < L AB<br /> F (s ) =  (23) C<br /> qs + Ws s > L AB H<br /> vb<br /> Ws - trọng lượng vật cản trong nước: 1<br /> vb<br /> 2<br /> <br /> <br /> γ − γn d B H<br /> Ws = s W1 (24) s<br /> γs Ws<br /> A 2zb<br /> W1 - trọng lượng vật cản trong không za 2 θa =0<br /> x1<br /> x2<br /> khí; o θo =0<br /> xb<br /> γ s và γ n - tương ứng là trọng lượng riêng xb<br /> 1<br /> <br /> 2<br /> <br /> của vật liệu chế tạo vật cản và trọng lượng Hình 2<br /> riêng của nước.<br /> Đối với điểm M(x,z) nằm về phía trái điểm gắn vật cản s = L AB các công thức<br /> tính toán toạ độ và chiều dài đoạn dây neo như sau:<br /> H q<br /> z m = [ ch( x m ) − 1] (25)<br /> q To<br /> dz m q<br /> = sh( x m ) (26)<br /> dx H<br /> H q<br /> s m = sh( x m ) (27)<br /> q H<br /> Dưới tác dụng của trọng lượng Ws , tại điểm B sự thay đổi góc giữa tiếp tuyến<br /> của đường dây neo với mặt phẳng nằm ngang như sau:<br /> + −<br /> dz dz F( L+AB ) − F(L−AB ) Ws<br /> ( ) −( ) = = (28)<br /> dx b dx b H H<br /> Ở đây dấu (+) và (-) chỉ giới hạn phía tay phải và tay trái.<br /> Và đoạn dây L BC sẽ có dạng khác. Chiều dài L OB được xác định theo công thức<br /> sau:<br /> L OB = L AB + L eq (29)<br /> trong đó L eq - chiều dài tương đương của dây neo do trọng lượng của vật cản gây nên.<br /> Chú ý tới công thức (24) và (28) chiều dài L eq được tính theo công thức sau:<br /> Ws ( γ s − γ n ) W1<br /> L eq = = (30)<br /> q γs q<br /> Khoảng cách từ đáy biển đến điểm B:<br /> <br /> <br /> 4<br />  H q <br /> x b1 = Arsh L AB  (31)<br /> q H <br /> H q<br /> z b1 = [ ch( x b1 ) − 1] (32)<br /> q H<br /> Các khoảng cách:<br /> H q <br /> x b 2 = Arsh L OB  (33)<br /> q H <br /> H q<br /> z b 2 = [ ch( x b 2 ) − 1] (34)<br /> q H<br /> Toạ độ của điểm C:<br /> z c 2 = z b 2 + d − z b1 = z a 2 + d (35)<br /> 2H<br /> Chiều dài L OC = (d + z a 2 ) +1 (36)<br /> q (d + z a 2 )<br /> L BC = L OC − L OB<br /> L AC = L AB + ( L OC − L OB ) (37)<br /> Và các toạ độ:<br /> H q <br /> x OC = Arsh L OC  (38)<br /> q H <br /> x BC = x OC − x b 2 (39)<br /> x AC = x b1 + x BC (40)<br /> Lực căng trong dây neo tại điểm C:<br /> Tc2 = H + (z a 2 + d ) ⋅ q (41)<br /> <br /> 3. VÍ DỤ TÍNH TOÁN<br /> <br /> Cho dây neo đơn của hệ neo tàu như trên hình 1 với chiều dài toàn bộ dây neo<br /> L = 600 m , d = 200 m , lực căng ngang ban đầu H = 300 kN ; xích neo có trọng lượng<br /> trong nước q = 1000 N / m .<br /> Tính các thông số đường dây neo trong 2 trường hợp:<br /> 1) Dây neo không có vật cản;<br /> 2) Dây neo có gắn vật cản có trọng lượng trong nước Ws = 50 kN tại điểm B<br /> (hình 1)<br /> Kết quả tính toán cho hai trường hợp cần xét, dưới tác dụng của lực ngang bổ sung<br /> thêm R = 500 kN cùng với lực căng ngang ban đầu, cụ thể như sau:<br /> 1) Trường hợp dây neo không có vật cản:<br /> L AB = 200 m ; L BC = 400 m ; x c = 529,5m ; x c1 = 554,5m ;<br /> Dưới tác dụng bổ sung của lực ngang R, khoảng cách dịch chuyển của điểm C là:<br /> CC1 = 25m . Lực căng trong dây neo Tc = 1000 kN .<br /> 2) Trường hợp dây neo có gắn vật cản<br /> Giữ nguyên chiều dài L AB = 200 m . Dưới tác dụng của lực ngang bổ sung thêm<br /> R = 500 kN cùng với lực căng ngang ban đầu kết quả tính toán như sau:<br /> <br /> 5<br />  x c1 = 524,0 m ; chiều dài đoạn xích L BC = 372,3m ; lực căng trong dây neo tại<br /> điểm C là Tc = 1013,5 kN .<br /> <br /> 4. KẾT LUẬN<br /> <br /> Kết quả tính toán của hai trường hợp trên cho thấy, khi sử dụng vật cản gắn với<br /> đường dây neo có thể giảm đáng kể chiều dài xích (ở ví dụ này là 27,7m, ~4,6% số<br /> mét chiều dài dây neo), và lực căng trong dây neo ở điểm liên kết giữa dây neo và<br /> phao neo hoặc công trình nổi tăng cũng không đáng kể (ở ví dụ này là 13,5 kN,<br /> ~1,35%).<br /> Giải pháp này có thể sử dụng hiệu quả trong tính toán thiết kế hệ thống neo tàu ở<br /> các vịnh, ven biển khi không có điều kiện xây dựng các cảng kiên cố.<br /> Trong tính toán thiết kế cần kể đến sự ma sát giữa vật cản và đất nền nhất là khi sử<br /> dụng vật cản có trọng lượng lớn.<br /> <br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> <br /> [1] Minoo H. Patel - Dynamics of Offshore Structures, Butterworth & Co. Ltd. 1989<br /> [2] O.M. Faltinsen - Sea Load on Ships and Offshore Structures, Cambridge<br /> University Press 1990<br /> [3] Naval Facilities Engineering Command - Fleet Moorings, Basic Criteria and<br /> Planning Guidelines, Design Manual 26.5, June 1985<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 6<br />