Bài giảng Công trình ngoài khơi - Chương 1 Tải trọng tác dụng lên Công trình ngoài khơi

BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Công trình ngoài khơi
TS. Nguyễn Danh Thảo
ThS. Đặng Xuân Trường
Liên hệ:
BM Cảng – Công Trình Biển
Tel: 08.3863.8431
Email:
Email:
Blog: dxtruong.blogspot.com
CHƯƠNG II
Tải trọng tác dụng
lên công trình ngoài khơi
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
2
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
3
Tải trọng tác dụng lên CTNK
Dòng chảy
Tải trọng khác
Sóng
biển
Gió
Công trìnhCông trình
ngoài khơingoài khơi
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
4

2.1. Sóng biển
 Sóng trên bề mặt đại dương được hình
thành do nhiều nguyên nhân như: gió,
động đất, thủy triều, khí áp… nhưng
sóng gió là loại sóng xảy ra thường xuyên
và có tác động lớn đến công trình biển.
 Vì thế, trong thiết kế xây dựng công trình
ngoài khơi cần xét đến tác động của sóng
gió, đặc biệt là do gió bão gây nên.
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
5
2.1. Sóng biển
 Sóng gió thường là sóng không đều,
ngắn, có tính ngẫu nhiên và có các đặc
tính thay đổi theo thời gian và không gian.
 Hướng sóng cũng luôn thay đổi nhưng
hướng chính thì luôn phù hợp với chiều
gió, chỉ trừ trường hợp sóng lừng, sóng
nằm ngoài phạm vi tác động trực tiếp của
trường gió và khi gió chuyển hướng.
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
6
2.1. Sóng biển
Sóng biển
Sóng đều Sóng không đều
Sóng có chiều
cao và chu kì
sóng không đổi

Sóng có chiều
cao và chu kì
sóng thay đổi
theo thời gian
và không gian
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
7
2.1. Sóng biển
Đối với sóng đều có các loại sau:
 Lý thuyết sóng tuyến tính (linear wave theory),
 Lý thuyết sóng Cnoidal (sóng nước nông),
 Lý thuyết sóng đơn, lý thuyết sóng đơn giản
(sóng điều hòa hoặc sóng hình sin),
 Lý thuyết sóng Stokes (sóng nước sâu),
 Lý thuyết sóng hàm số dòng (Stream Function
Theory)….
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
8
2.1. Sóng biển
Hình 2.1:
Hình dạng sóng
có chu kỳ của một
số sóng
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
9
2.1. Sóng biển
Hình 2.2:

Phạm vi sử
dụng các lý
thuyết sóng
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
10
2.1. Sóng biển
Các lý thuyết sóng được sử dụng nhiều trong tính
toán công trình biển phụ thuộc vào từng điều kiện
cụ thể như sau:
 Lý thuyết sóng Airy (lý thuyết sóng tuyến tính): sử
dụng đối với mọi vùng nước có độ sâu khác nhau.
 Lý thuyết sóng Stokes (lý thuyết sóng có biên độ
hữu hạn, từ bậc 1 đến bậc 5): thích hợp với những
vùng nước có độ sâu nước hữu hạn.
 Lý thuyết sóng Cnoidal (bậc 1 đến bậc 3): thích hợp
với sóng lan truyền trong vùng nước nông.
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
11
2.2. Sóng đều
 Các lý thuyết sóng thường là gần đúng, nhưng
có thể miêu tả tốt các hiện tượng sóng trong
những điều kiện nhất định, thỏa mãn được các
giả thiết đặt ra.
 Lý thuyết sóng biên độ nhỏ hay lý thuyết sóng
tuyến tính là lý thuyết sóng cơ bản nhất.
 Lý thuyết này được đề xuất bởi Airy (năm 1845)
nên được gọi là sóng Airy, dễ sử dụng và cho độ
gần đúng hợp lý trong phạm vi rộng của các đại

lượng sóng.
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
12
2.2. Sóng đều
 Đối với các sóng dao động lớn (hữu hạn) thì cần
dùng các lý thuyết sóng có biên độ lớn với độ
chính xác bậc cao hơn so với lý thuyết sóng
tuyến tính.
 Mặc dù có những hạn chế nhất định trong ứng
dụng nhưng lý thuyết tuyến tính vẫn rất có ích,
các giả thiết dùng cho việc triển khai lý thuyết
đơn giản này vẫn có tính hợp lý nhất định và đã
được dùng làm cơ sở cho nhiều nghiên cứu về
sóng.
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
13
2.2.1. Các đặc trưng của sóng
Các đặc trưng sóng đều:
 Đường mặt sóng η,
 Tốc độ truyền sóng C,
 Chiều dài sóng L,
 Tốc độ nhóm sóng C
g
,
 Tốc độ phân tử nước u, w,
 Gia tốc phân tử nước a
x
, a

z
,
 Dịch chuyển phân tử nước ξ, ζ,
 Áp lực sóng.
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
14
2.2.1. Các đặc trưng của sóng
 Quá trình truyền sóng được biểu diễn bởi các
biến số x (theo không gian) và t (theo thời gian)
hoặc kết hợp cả hai, định nghĩa bằng θ = kx-ωt.
θ có giá trị trong khoảng từ 0 đến 2π.
 Một cách đơn giản, sóng chu kỳ có hình dạng cố
định truyền theo phương ngang có thể được mô
tả thông qua chiều cao sóng H, chiều dài sóng L
và độ sâu nước d.
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
15
2.2.1. Các đặc trưng của sóng
Hình 2.4: Định nghĩa các yếu tố sóng tiến đơn giản hình sin
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
16
2.2.1. Các đặc trưng của sóng
 Điểm cao nhất của sóng là đỉnh sóng và điểm
thấp nhất là bụng sóng. Đối với sóng tuyến tính
hoặc sóng có biên độ nhỏ, chiều cao đỉnh sóng
phía trên mực nước tĩnh (SWL) và bụng sóng
phía dưới mực nước tĩnh bằng với biên độ sóng

a. Do đó a = H/2 , với H là chiều cao sóng. Thời
gian để hai đỉnh hoặc bụng sóng tiến của hai con
sóng liên tiếp truyền qua một điểm cố định là chu
kỳ sóng T. Chiều dài sóng L là khoảng cách theo
phương ngang giữa hai điểm giống hệt nhau
trên hai đỉnh hoặc bụng sóng liên tiếp.
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
17
2.2.1. Các đặc trưng của sóng
 Ngoài ra, còn có các tham số sóng khác như:
 Tần số góc ω=2π/T,
 Số sóng k=2π/L,
 Vận tốc pha hay vận tốc truyền sóng:
C=L/T = ω/k
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
18
2.2.2. Sóng Airy
 Được đề xuất bởi Airy (năm 1845),
 Lý thuyết sóng Airy coi hình dạng mặt sóng có
dạng hình sin, chiều cao sóng H là nhỏ so với
chiều dài sóng L và độ sâu nước d. Kết quả tính
đã bỏ qua các đại lượng vô cùng bé bậc 2 trở
lên nên sóng Airy còn được gọi là sóng tuyến
tính, hay sóng bậc 1.
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
19
2.2.2. Sóng Airy

Hình 2.5: Các thông số sóng tuyến tính
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
20
2.2.2. Sóng Airy
 Độ lệch mặt sóng η chỉ khoảng cách từ bề mặt
sóng đến mực nước tĩnh và là hàm số theo x và
t. Tại vị trí đỉnh sóng, độ lệch mặt sóng bằng với
biên độ sóng a và bằng một nửa chiều cao sóng
(H/2).
 Phương trình cơ bản của động lực học sóng là
phương trình Laplace, dựa trên nguyên tắc bảo
toàn khối lượng:
(2.1)
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
21
2.2.2. Sóng Airy
 Đây được gọi là hàm thế vận tốc. Thế vận tốc là
hàm có gradient (ví dụ như tỷ lệ thay đổi của ϕ
liên quan đến tọa độ theo phương ngang x và
theo phương thẳng đứng z) tại bất cứ điểm nào
trong chất lỏng cũng là vector vận tốc.
 Do đó:
(2.2)
(2.3)
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
22
Vận tốc, chiều dài và chu kì sóng

 Vận tốc sóng C (hay vận tốc pha) là vận tốc của
hình dạng sóng truyền đi. Vì quãng đường mà
sóng đi được trong một chu kỳ bằng một chiều
dài sóng, vận tốc sóng có thể được tính như sau:
 Vận tốc sóng theo chiều dài sóng và chiều sâu
nước được tính như sau:
(2.4)
(2.5)
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
23
Vận tốc, chiều dài và chu kì sóng
 Phương trình (2.5) có thể được viết lại như sau:
 Các giá trị 2π/L và 2π/T lần lượt được gọi là số
sóng k và tần số góc sóng ω. Kết hợp phương
trình (2.4) và (2.6) ta có:
(2.7)
(2.6)
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM
24
Vận tốc, chiều dài và chu kì sóng
 Trong phương trình (2.7), chiều dài sóng L xuất
hiện ở cả hai vế phương trình. Do đó, có thể sử
dụng giá trị gần đúng để tính toán:
 Chiều dài sóng ứng với vùng nước sâu:
(2.9)
(2.8)
BM Cảng – Công Trình Biển
Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM

25
Vận tốc, chiều dài và chu kì sóng
Bảng 2.1 Phân loại sóng theo độ sâu tương đối
Phân loại d/L kd tanh(kd)
Nước sâu 1/2 đến   đến   1
Vùng trung gian 1/20 đến 1/2 /10 đến  tanh(kd)
Nước nông 0 đến 1/20 0 đến /10  kd