Các lực tác động đến phao, bộ phận giữ phao và khung đỡ của điện sóng biển

Phụ lục về lực tác động đến phao, bộ phận giữ phao và khung đỡ của điện sóng biển đã được tôi bổ sung thêm vào cuối bài: “Tiềm năng 3 loại điện chạy bằng năng lượng tái tạo cùng gắn trên 1 khung đỡ” từ ngày 10/07/2019, sau đó tôi đã nhiều lần bổ sung thêm vào cuối bài này và bài: “Sản lượng 3 loại điện chạy bằng năng lượng tái tạo cùng gắn trên 1 khung đỡ”. Đây là những vấn đề rất quan trọng cho điện sóng biển làm theo cách hoàn toàn Việt Nam, để các bạn dễ theo dõi và góp ý kiến tôi xin hệ thống lại Phụ lục này và bổ sung thêm như sau:

Điện sóng biển làm theo cách hoàn toàn Việt Nam khác hẳn với cách các nước trước đây đã làm, vì vậy ta phải tính toàn bộ những lực tác động đến phao, bộ phận giữ phao và khung đỡ của điện sóng biển làm theo cách mới để xem những giới hạn trên của những lực đó là bao nhiêu?

1. Momen lực do mặt sóng nghiêng tác động như thế nào đến phao và bộ phận giữ phao?

Trong mục 2.2 của bài: “Tiềm năng 3 loại điện chạy bằng năng lượng tái tạo cùng gắn trên 1 khung đỡ” đã nói đến việc phao luôn luôn chịu 2 lực tác động ngược chiều nhau đều nằm thấp hơn mặt nước biển là lực hút của trái đất và lực đẩy lên của nước. Nhưng do mặt sóng thường nghiêng nên nó có thể tác động lớn đến phao, trụ đứng giữa phao và bộ phận giữ phao. Vì thế ta cần tính cụ thể lực đó mạnh nhất là bao nhiêu khi phao hình trụ tròn đường kính 6 m cao 2,6 m nửa nổi nửa chìm? Đây là việc làm rất cần thiết vì sóng biển có sức tàn phá rất lớn như có thể làm chìm đắm những tàu thuyền lớn, có thể làm xói lở bờ biển, có thể làm cho những tảng đá lớn ngay cạnh bờ biển dốc đứng rơi xuống biển,... nên nhiều người còn nghi ngại bộ phận giữ phao có chịu đựng nổi lực tác động rất lớn của sóng biển hay không? Việc tính toán này khá phức tạp, tôi đã 80 tuổi rồi nhưng cũng xin cố sức tính toán, rất mong các bạn trẻ giỏi tính toán giúp đỡ và chỉ ra những sai sót để tôi sửa lại cho tốt hơn.

Muốn tính thử xem lực đó mạnh bao nhiêu ta cần phải tính được thể tích ngập nước của từng nửa phao là bao nhiêu và có thể dùng tích phân để tính các thể tích đó. Rất tiếc là khi đưa lên các diễn đàn để lấy ý kiến của mọi người thì các dấu tích phân, căn và số mũ không thể hiện được nên tôi đành phải viết trên file EXCEL rồi chụp ảnh lại. Còn dấu nhân phải thể hiện bằng dấu chấm (.) cho đỡ lẫn với biến số x.

Mặt sóng nghiêng nhưng không phải hoàn toàn bằng phẳng, có khi hơi lồi lên, có khi hơi lõm xuống. Để cho đơn giản, xin phép tạm tính mặt sóng nghiêng đó là phẳng, khi đó phần ngập nước của phao sẽ là hình trụ tròn đường kính 6 m bị cắt vát ở phía trên. Gọi p là chiều cao của phao bị ngập nông nhất và p+q là chiều cao của phao bị ngập sâu nhất ta có thể biểu hiện dưới dạng toán học như sau:




Tỷ trọng nước biển lớn hơn 1 một chút, để đơn giản ta tạm coi tỷ trọng đó là 1, ta sẽ có lực đẩy lên của nước biển lên nửa trước phao lớn hơn nửa sau phao là 6q tấn, trong đó q là chênh lệch mức ngập nước biển giữa ngập nhiều nhất và ngập ít nhất của phao. Thí dụ như khoảng chênh lệch mực nước biển đó là 1 m chẳng hạn thì lực tác động lên nửa trước phao mạnh hơn nửa sau phao sẽ là 6 tấn, chênh lệch mực nước biển 1,5 m thì lực tác động lên nửa trước phao mạnh hơn nửa sau phao sẽ là: 6.1,5 = 9 tấn,...

Khi sóng đi qua nửa trước phao ngập ít hơn nửa sau phao, phao hạ xuống do trọng lực. Giả thử cũng có chỗ ngập nông nhất là p và chỗ ngập sâu nhất là p+q thì ta cũng sẽ có lực đẩy lên ở nửa sau phao mạnh hơn nửa trước phao cũng là 6q tấn. Nhưng do trọng lượng phao lớn hơn nên lực hạ xuống của nửa trước phao mạnh hơn nửa sau phao cũng sẽ là 6q tấn.

Phao cao 2,6 m nên chênh lệch đó lớn nhất khi p = 0 m và q = 2,6 m, khi đó chênh lệch sẽ là: 6.2,6 = 15,6 tấn. Lưu ý đây chỉ là lực đẩy lên do phao ngâm trong nước biển, còn trọng lượng của phao là 36,76 tấn chia đều cho 2 nửa phao luôn luôn kéo phao xuống và hợp lực của nó ở trọng tâm của phao.

Tính được như vậy vẫn chưa đủ, ta cần phải tính xem momen lực lớn nhất là bao nhiêu và xảy ra khi nào? Khi đó lực tác động ngang vào các bánh lăn trong bộ phận giữ phao là bao nhiêu tấn? Ta có thể dễ dàng nhận thấy lực nâng lên của phao khi sóng đã đi qua nhỏ hơn trọng lực của phao nên momen lực chỉ rất lớn khi sóng đến và phao được nâng lên. Tôi đã dùng tích phân để tính thử trong nhiều trường hợp và thấy momen lực lớn khi lực đẩy lên lớn và lực đó ở xa tâm phao, còn khi phao bị ngập gần hết thì lực nâng lên rất lớn nhưng lại ở ngay gần tâm phao nên momen lực không lớn. Vì vậy xin phép giới thiệu kết quả tính toán momen lực lớn nhất trong trường hợp rất đặc biệt là nửa trước phao bị ngập hoàn toàn còn nửa sau phao chỉ bị ngập một phần. Để dễ hình dung, xin giới thiệu mặt cắt thẳng đứng nhìn ngang của mặt sóng và phao như trong hình vẽ sau:



Nhìn vào hình vẽ ta thấy có thể áp dụng tích phân trong trường hợp p = 0 và q = GE. 2 tam giác vuông ABC và EFG đồng dạng nên ta có: GE/CA = EF/AB. CA = 2,6 m do là chiều cao của phao, EF = ID = 6 m do là đường kính của phao. Vì thế q = GE = 6.2,6/AB và ta có thể tính được thể tích nửa trước bị ngập nước và nửa sau bị ngập nước bằng tích phân. Nửa trước bị ngập nước trong hình vẽ tuy có thể rất lớn nhưng trong đó nửa trước phao bị ngập nước chỉ là 36,76 m3. Nửa sau bị ngập nước trong hình vẽ gồm 3 phần: nửa sau phao bị ngập nước và 2 phần thừa, chiều cao của 2 phần thừa là h = (q/2)-2,6. Vì thế có thể tính phần phao ngập nước và tâm của nó khi sóng ngập nửa mặt trên và phần lớn mặt dưới phao như trong biểu sau:



Do biểu tính khá phức tạp nên cần giới thiệu cụ thể thêm một số chi tiết như sau:

- Đầu biểu có cột 3sinu chỉ điểm ngập của mặt dưới phao dùng cho hàng đầu tiên của nhóm để ghi điểm ngập đó nằm ở nửa sau phao và cách tâm của đáy phao bao nhiêu mét. Cuối biểu cũng có cột 3sinu tính tâm ngập dùng cho hàng cuối cùng của nhóm để ghi kết quả tính toán điểm đó cách tâm phao bao nhiêu mét về phía trước phao.

- Biết mặt dưới phao ngập cách tâm phao bao nhiêu mét ta có thể tính được q là khoảng bị cắt vát của hình trụ tròn đường kính 6 m.

- Khi tính được q và với giả thiết p = 0, ta có thể dùng tích phân để tính được thể tích nửa trước, nửa sau và toàn bộ hình trụ tròn đường kính 6 m bị cắt vát.

- Nửa trước của hình trụ tròn bị cắt vát có thể rất lớn nhưng thể tích nửa trước phao hoàn toàn bị ngập chỉ là 36,76 m3 và phần này được ghi vào dòng cuối của nhóm.

- Phần thừa 1 của nửa sau phao có thể tính được bằng tích phân từ u đến ∏/2 và phần này được ghi trong dòng đầu tiên của nhóm. Phần thừa 2 của nửa sau phao là một phần nửa hình trụ tròn đường kính 6 m cao h mét và nó có thể được tính bằng tích phân từ 0 đến u với p = h, q = 0 và phần này được ghi trong dòng thứ 2 của nhóm. Từ đó tính được thể tích nửa sau phao bị ngập và được ghi vào dòng cuối của nhóm.

- Thể tích phao bị ngập cũng được tính trong dòng cuối. Do nửa trước phao hoàn toàn bị ngập và nửa sau phao chỉ bị ngập một phần nên tâm ngập phải nằm trong nửa trước phao. Nửa trước phao là nửa hình trụ tròn đường kính 6 m cao 2,6 m nên ta có thể dùng tích phân từ -∏/2 đến u với p = 2,6 và q = 0 để xác định mặt phẳng thẳng góc với hướng của sóng chứa điểm u chia thể tích phao bị ngập thành 2 phần bằng nhau và việc tính toán này cũng nằm trong phần cuối của nhóm. Trong bảng tính EXCEL việc này không khó gì vì chỉ cần điều chỉnh điểm u cho tích phân có giá trị bằng nửa thể tích phao bị ngập là xong. Như vậy lực đẩy lên nằm trong giao tuyến của 2 mặt phẳng thẳng đứng là mặt phẳng song song với hướng của sóng chia đôi vùng ngập trong phao thành 2 phần bằng nhau và mặt phẳng thẳng góc với hướng của sóng cũng chia đôi vùng ngập trong phao thành 2 phần bằng nhau.

Do có trụ đứng giữa phao, nên phải tính trụ đứng đó cách tâm phao là bao nhiêu cho có lợi? Nếu trụ đứng nằm giữa trọng tâm của phao và tâm ngập thì 2 cánh tay đòn của momen lực ở 2 phía khác nhau nên khi tính tổng momen lực phải cộng cả 2 phần với nhau, nếu trụ đứng nằm ở một bên thì 2 cánh tay đòn của momen lực ở cùng một phía nên khi tính tổng momen lực phải trừ 2 phần với nhau. Lực tác dụng dễ hiểu nhất là được tính bằng tấn, nhưng trong các tài liệu lại tính lực tác dụng bằng Newton và momen lực được tính bằng N.m. Vì vậy tôi cũng đành phải tính theo cách này và gia tốc trọng trường là 9,8 nhưng tạm tính bằng 10 cho đơn giản. Biết được thể tích ngập, tâm ngập và phao nặng nên có thể tính được momen lực trong từng trường hợp trụ đứng giữa phao đặt lệch so với tâm phao. Từ đó có thể tính được lực tác dụng tại từng địa điểm cụ thể của trụ đứng giữa phao. Các biểu đó khá dài nên trong phụ lục này tôi chỉ lấy kết quả tính toán để đưa vào biểu phía dưới. Trọng tâm của phao và tâm ngập của phao đều nằm dưới mặt nước biển nên tâm momen lực cũng nằm dưới mặt nước biển. Lực tác động lớn nhất vào các điểm cách tâm momen lực 2 m, 3 m, 9,5 m, 10,3 m, 14,5 m và 15,3 m như trong biểu sau:



Cần lưu ý một số vấn đề trong biểu này như sau:

- Để tính toán những khả năng xấu nhất có thể xảy ra ta còn phải tính thêm chênh lệch lớn nhất của mặt nước biển do thủy triều trên vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau có thể từ 3 m đến 4 m và ta phải lấy số cao nhất là 4 m. Momen lực do mặt sóng nghiêng có tâm ở phía dưới mặt nước biển, càng gần tâm của nó càng mạnh hơn nên ta phải tính khi thủy triều lên đến mức cao nhất tức khoảng cách phải trừ đi 2 m. Vì thế những nơi cách tâm momen lực trong 4 dòng cuối đều được tính khi thủy triều lên đến mức cao nhất.

- Các lực lớn nhất đều tính bằng 1.000 N nên muốn dễ hình dung xem nó khoảng bao nhiêu tấn chỉ việc lấy số đó chia cho 10, thí dụ như lực lớn nhất của momen lực tác động vào nơi cách tâm momen lực 9,5 m (bánh răng đỡ răng và bánh lăn đỡ phía sau thanh thép có răng ở phía dưới của bộ phận giữ phao trong khung đỡ thấp) khi trụ đứng giữa phao đặt lệch về phía trước 0,2 mét là: 46,9/10 = 4,69 tấn. Những nơi cách tâm momen lực 10,3 m, 14,5 m và 15,3 m thì lực lớn nhất của momen lực tác động vào nó sẽ là 4,33 tấn, 3,07 tấn và 2,91 tấn.

- Tâm momen lực nằm ở phía dưới mặt nước biển nên các lực lớn nhất tác động vào các bánh lăn của bộ phận giữ phao đều nhỏ hơn các số liệu tính toán được trong biểu.

- Phao chỉ ngập hoàn toàn nửa trước và hoàn toàn nửa sau không ngập là điều không thể xảy ra nên các số liệu tính toán được về momen lực trong dòng cuối là những giới hạn lớn nhất không thể vượt qua.

- Nhìn vào phần tính momen lực của biểu ta thấy trừ dòng cuối cùng, ở các dòng trên các số liệu đều tăng dần, vì thế trụ đứng giữa phao nên đặt lệch về phía trước. Nhưng cũng không nên đặt xa quá nhiều vì đây là trường hợp rất đặc biệt, tâm ngập trong các trường hợp khác ở gần giữa phao hơn rất nhiều.

- Nơi cách tâm momen lực 2 m, lực tác động vào vỏ phao và trụ đứng giữa phao rất lớn nhưng bề mặt của vỏ phao rất rộng nên bình quân tác dụng vào 1 cm2 vỏ phao không lớn, nhưng cần lưu ý là mặt trên của phao cần dày để gắn trụ đứng giữa phao cho thật chắc chắn.

- Nơi cách tâm momen lực 3 m là phần thấp nhất của thanh thép có răng tiết diện hình chữ T trong trường hợp dùng khung đỡ thấp vì vậy cần lưu ý tính toán để phần này chịu đựng được lực tác động lớn nhất gần 15 tấn.

Khi thủy triều lên đến mức cao nhất, bánh lăn phía dưới đỡ 2 bên thanh thép có răng của bộ phận giữ phao nằm cách mặt biển 10,3 m hoặc 15,3 m, bánh răng đỡ răng và bánh lăn đỡ phía sau thanh thép có răng của bộ phận giữ phao nằm cách mặt biển 9,5 m hoặc 14,5 m, tâm momen lực ở dưới mặt nước biển nhưng ta vẫn tạm lấy theo số này để tính momen lực tác động nên lực tác động của momen lực vào những chỗ này sẽ nhỏ hơn.

Do phải chạy máy phát điện nên chuyển động nâng lên hạ xuống của phao sẽ bị cản lại rất lớn, vì thế phao sẽ phải ngập sâu hơn khi sóng đang lên, dẫn đến hiện tượng mặt dưới phao không bị ngập hết khi sóng đang lên rất khó xảy ra và tâm ngập sẽ vào gần tâm phao hơn, momen lực do mặt sóng nghiêng sẽ giảm đi rất nhiều. Mặc dù hiện tượng cực đoan đó gần như không thể xảy ra, nhưng ta cũng nên xem các bánh lăn trong bộ phận giữ phao có chịu đựng nổi lực 4,69 tấn, 4,33 tấn, 3,07 tấn và 2,91 tấn tác động vào nó hay không? Đây là một lực lớn, bánh xe của các xe vận tải bình thường cũng không phải chịu một lực lớn như vậy. Nhưng bài: “Belaz 75131 - siêu xe tải lớn nhất Việt Nam” đăng trên vnexpress.net ngày 04/04/2019 cho biết: “Xe siêu tải Belaz 75131 lần đầu đặt chân đến Việt Nam, đây là dòng xe tải trọng lớn có khả năng vận chuyển từ 130 đến 136 tấn và thường sử dụng trong khai thác mỏ.” và “Belaz 75131 có trọng lượng không tải 107,1 tấn”. Như vậy tổng trọng lượng lớn nhất khi xe vận chuyển đầy hàng là: 136+107,1 = 237,1 tấn. Nhìn vào hình trong bài vừa nêu ta thấy xe có 6 bánh, nên mỗi bánh xe phải chịu sức nặng tối đa là: 237,1/6 = 39,5 tấn, tức là gấp 8,42 lần số 4,69 tấn, gấp 9,13 lần số 4,33 tấn, gấp 12,86 lần số 3,07 tấn và gấp 13,57 lần số 2,91 tấn, khi xe chạy lực nén trên mỗi lốp còn lớn hơn nhiều. Như vậy các bánh lăn trong bộ phận giữ phao có thể chịu đựng được tốt tác động của sóng vào phao do mặt sóng nghiêng nhưng cần phải làm cho thật chắc chắn.

Ở ngoài biển xa, sóng đi cùng chiều với hướng gió, lực đó chủ yếu tác động vào những bánh răng đỡ răng và bánh lăn đỡ phía sau thanh thép có răng. Khi gặp vùng biển nông sóng ma sát với đáy biển nên mới dần dần đổi hướng rồi lao thẳng vào bờ nên khoảng lệch của trụ đứng giữa phao cũng cần giảm dần và khi đã ra ngoài biển xa thì trụ đứng giữa phao cần để đúng giữa phao.

Đường đẳng sâu 20 m trên vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau ở rất xa bờ, khi vào đến vùng gần bờ sóng đã bị tiêu hao năng lượng nhiều do ma sát với đáy biển nông nên hiện tượng cực đoan không còn có khả năng xảy ra. Ở gần bờ, sóng gần thẳng góc với khung đỡ nên lực tác động do mặt sóng nghiêng chủ yếu tác động vào các bánh lăn ép vào 2 bên thanh thép có răng. Có 3 trường hợp xảy ra: Nếu chỉ ép vào bánh lăn phía dưới thì lực tác động dồn vào bánh lăn này, nếu chỉ ép vào bánh lăn phía trên thì lực tác động cũng dồn vào bánh lăn này nhưng đã bị giảm bớt vì bánh lăn phía trên xa tâm của momen lực hơn bánh lăn phía dưới, nếu ép vào cả bánh lăn phía trên và bánh lăn phía dưới thì lực tác động sẽ bị phân chia nhỏ ra.

Gió đông bắc và gió tây nam chiếm khoảng 83% gió trên vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau nên sóng ngoài biển xa cũng theo hướng này. Khi có nhiều khung đỡ thì sóng chéo góc khi gặp khung đỡ ngoài cùng nên lực tác động vào các bánh lăn ép vào 2 bên thanh thép có răng sẽ bị giảm bớt do lực tác động đã bị phân chia cho cả bánh răng đỡ răng và bánh lăn giữ phía sau thanh thép có răng. Lực tác động vào các bánh lăn và các bánh răng của các khung đỡ phía trong cũng sẽ bị giảm dần do sóng bị suy giảm khi đi qua các khung đỡ. Khi khung đỡ ngoài cùng đã ra rất xa bờ và sóng đã song song với khung đỡ thì lực tác động do mặt sóng nghiêng sẽ tác động chủ yếu vào bánh răng đỡ răng và bánh lăn giữ phía sau thanh thép có răng. Lưu ý là khi vào nơi biển nông chiều cao sóng tăng lên và bước sóng giảm bớt theo các công thức (72) và (71) trong trang 61 của sách “Cơ sở đại dương học” (ảnh của trang này đã có trong mục 2.4.4) nên ở ngoài biển xa góc nghiêng của sóng nhỏ hơn khi vào gần bờ, do đó ngoài biển xa momen lực tác động vào phao do mặt sóng nghiêng còn yếu hơn khi sóng ở gần bờ.

2. Giới hạn trên của các lực tác động do gió và dòng chảy biển đến bộ phận giữ phao và khung đỡ:

2.1. Công thức tính toán:
Trong bài: “Cách để Tính tải trọng gió” trên trang web wikiHow.vn, tải trọng gió tác động vào vật cản được tính theo công thức: F = APC, trong đó F là lực gió hay tải trọng gió tính bằng N (Newton), A là diện tích hình chiếu của vật cản tính bằng m2, P là áp lực gió tính bằng N/m2, và Clà hệ số cảnbị chi phối bởi hình dạng, độ gồ ghề bề mặt và nhiều yếu tố khác, thí dụ như hệ số cản của ống trụ dài là 1,2, ống trụ ngắn là 0,8, tấm phẳng dài như mặt tòa nhà là 2,0 hay đối với tấm phẳng ngắn là 1,4,...
Áp lực gió được tính theo công thức: P = 0,613v2, trong đó v là tốc độ gió tính bằng m/giây. Hệ số 0,613 là kết quả của một phép tính dựa trên các giá trị điển hình của mật độ không khí và gia tốc trọng trường.
Chất lưu bao gồm cả chất lỏng và chất khí, nên nước biển và không khí cũng đều thuộc chất lưu.
Định luật Bernoulli cho cơ học chất lưu như sau:
p+ρv2/2+ρgh = Hằng số.
Trong đó: p là áp suất tĩnh của khối chất lưu, ρv2/2 là áp suất động của khối chất lưu và ρgh là áp suất thủy lực của khối chất lưu.
Trở lại công thức áp lực gió P = 0,613v2, ta thấy tỉ trọng không khí ρ ở mực nước biển khoảng 1,225 do 1 m3 không khí nặng khoảng 1,225 kg, ta tính thử: 1,225/2 = 0,613. Như vậy ta đã tính áp lực gió theo công thức P = ρv2/2 chính là tính áp suất động của gió.
1 m3 nước biển nặng từ 1.020 kg đến 1.030 kg, nước ta là nước nhiệt đới nên xin tạm tính là 1.030 kg và ta có áp suất động của dòng chảy biển là: P = 1.030v2/2 = 515v2.
2.2. Chuẩn bị cho việc tính toán:
Trong Bách khoa toàn thư mở đã ghi rõ sự khác nhau giữa áp thấp nhiệt đới và bão nhiệt đới như sau: “Theo định nghĩa quốc tế, bão nhiệt đới phải có gió mạnh > 64 km/h (hay 35 nút), tức là hơn cấp 8. Nếu gió yếu hơn 63 km/h, gọi là áp thấp nhiệt đới.” Vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau ít khi có bão, nếu có bão thì khi vào đến vùng ven bờ, bão đã trở thành áp thấp nhiệt đới nên tốc độ gió chỉ còn dưới 63 km/giờ tức là dưới: 63.000/3.600 = 17,5 m/giây, không những thế ở sát mặt biển gió ma sát với mặt nước biển gồ ghề sẽ yếu bớt đi nhiều. Ngoài biển xa, tốc độ gió ở vùng gần tâm bão có thể tới 100 km/giờ tức là 27,8 m/giây. Đối với các vùng biển từ Ninh Thuận trở ra cần tính với sức gió mạnh hơn, đặc biệt là vùng biển Quảng Trị đến Quảng Ngãi.

Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia hàng ngày cũng có các bản tin về dòng chảy biển, từ ngày 01/01/2018 đến ngày 30/06/2018 tôi cũng sưu tập số liệu về dòng chảy biển, sau thấy không dùng gì đến nó nên tôi không thu thập thêm nữa. Trong các số liệu đã thu thập được thì số liệu lớn nhất trên vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau là 0,6 - 0,8 m/giây vào ngày 26/06/2018. Đây là số liệu phục vụ cho các hoạt động ở ngoài biển xa, còn điện sóng biển làm ở ngay gần bờ nên tốc độ của dòng chảy biển thấp hơn rất nhiều do bị ma sát với đáy biển nông trên quãng đường rất dài. Nhưng ta cứ lấy hẳn số cao nhất là 0,8 m/giây để tính thử xem khung đỡ của điện sóng biển để ngoài biển xa có chịu được lực đẩy vào phao của dòng chảy biển hay không? Ở gần bờ dòng chảy biển rất chậm nên ta tạm tính là 0,1 m/giây.
Gió đông bắc và gió tây nam đều song song với khung đỡ nên nó rất vững chắc khi 2 loại gió này thổi, nhưng gió của áp thấp nhiệt đới hoặc bão cũng có lúc đánh vào đúng điểm yếu nhất của khung đỡ là khi gió thẳng góc với nó. Ta cần xét trường hợp khung đỡ bị đánh đúng vào điểm yếu nhất này xem sao? Khung đỡ gồm nhiều đoạn dài 11,8 m nên ta xét cụ thể trường hợp gió thẳng góc với khung đỡ nâng cao cho mỗi đoạn 11,8 m.

Khoảng chênh lệch thủy triều trên vùng ven bờ trên vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau hầu hết là dưới 4 m, tức là khi thủy triều xuống đến mức thấp nhất đều thấp hơn mức trung bình dưới 2 m. Theo nguyên tắc đòn bẩy, cánh tay đòn càng dài lực bẩy càng lớn nên ta phải tính lực tác động vào bộ phận giữ phao khi thủy triều xuống đến mức thấp nhất. Hình chiếu của khung đỡ càng lớn khi thủy triều xuống càng thấp. Vì vậy khi tính lực tác động lớn nhất do gió và dòng chảy biển vào bộ phận giữ phao và khung đỡ phải tính thủy triều thấp hơn mức trung bình 2 m.

2.2.1. Khi tính lực tác động của gió vào phao, rồi từ đó vào bộ phận giữ phao:
Phao hình trụ tròn đường kính 6 m, cao 2,6 m, nửa nổi nửa chìm có hình chiếu nửa trên là: 6x1,3 = 7,8 m2, có lúc phao nổi cao hơn, có lúc phao nổi thấp hơn, nhưng ta cứ tính hẳn trường hợp rất đặc biệt gần như không thể xảy ra là phao ở hoàn toàn trên mặt nước là: 7,8x2 = 15,6 m2.
Phao là ống trụ ngắn nên tạm tính có hệ số cản là 0,8.
Ở khung đỡ thấp, bánh lăn phía dưới giữ hai bên thanh thép có răng cách mặt biển bình quân 12,3 m nên khi tính lực lớn nhất có thể xảy ra ta phải tính với khoảng cách là: 12,3+2-1,3 = 13 m, bánh lăn phía trên giữ hai bên thanh thép có răng cao hơn 4,5 m. Ở khung đỡ nâng cao và khung đỡ trung gian gần bờ, bánh lăn phía dưới giữ hai bên thanh thép có răng cách mặt biển 17,3 m nên khi tính lực lớn nhất có thể xảy ra ta phải tính với khoảng cách là: 17,3+2-1,3 = 18 m, bánh lăn phía trên giữ hai bên thanh thép có răng cao hơn 8,5 m đối với khung đỡ nâng cao và 4,5 m đối với khung đỡ trung gian gần bờ.
2.2.2. Khi tính lực tác động của dòng chảy biển vào phao, rồi từ đó vào bộ phận giữ phao:
Cũng phải tính với trường hợp rất đặc biệt là phao chìm hoàn toàn trong nước biển, tức hình chiếu của phao là 15,6 m2 và hệ số cản là 0,8.
Dòng chảy biển song song với hướng của đường bờ biển nên phải tính với các bánh răng và bánh lăn tiếp xúc với thanh thép có răng và đỡ phía sau thanh thép có răng. Ở khung đỡ thấp, bánh răng và bánh lăn phía dưới cách mặt biển bình quân 11,5 m nên khi tính lực lớn nhất có thể xảy ra ta phải tính với khoảng cách là: 11,5+2+1,3 = 14,8 m, bánh răng và bánh lăn phía trên cao hơn 4,5 m. Ở khung đỡ nâng cao và khung đỡ trung gian gần bờ, bánh răng và bánh lăn phía dưới cách mặt biển 16,5 m nên khi tính lực lớn nhất có thể xảy ra ta phải tính với khoảng cách là: 16,5+2+1,3 = 19,8 m, bánh răng và bánh lăn phía trên cao hơn 9 m đối với khung đỡ nâng cao và 5 m đối với khung đỡ trung gian gần bờ.
2.2.3. Khi tính lực tác động của gió thổi thẳng góc vào mỗi đoạn khung đỡ dài 11,8 m:
Đối với khung đỡ thấp, nhìn hình vẽ đầu tiên trong mục 2.2 của bài: “Tiềm năng 3 loại điện chạy bằng năng lượng tái tạo cùng gắn trên 1 khung đỡ” ta thấy mỗi đoạn như vậy có 6 cột chống trong đó có 4 cột chống chung với 2 đoạn bên cạnh nên xét về hình chiếu nếu nhìn thật thẳng góc thì chỉ còn 2 cột, nhưng nhìn hơi nghiêng một chút sẽ là 4 cột, ta nên tính 4 cột cho an toàn. Cũng xét về hình chiếu của đoạn này, nhìn lên hình vẽ ta thấy có 3 thanh thép U400x100x10.5x12, 4 thanh thép U300x90x9x12, 2 đoạn dài thép U300x90x9x12 dài 6 m, 2 bộ tạo nguồn điện và 1 thanh thép có răng hình chữ T phía dưới có trụ đứng giữa phao. Ống bê tông dự ứng lực đường kính 0,35 m nhô lên khỏi mặt biển 7 m khi thủy triều xuống đến mức thấp nhất và ống thép đường kính 219,1 mm tính tròn là 0,22 m nhô lên thêm lên 11 m nên mỗi cột chống có hình chiếu là: 0,35x7+0,22x11 = 4,87 m2. Bộ tạo nguồn điện gồm nhiều bánh răng, líp và máy phát điện tạm tính là 6 m2. Thanh thép có răng hình chữ T và trụ đứng giữa phao cao 20 m rộng 0,3 m có diện tích là: 20x0,3 = 6 m2. Tổng diện tích hình chiếu của các vật trên trong mỗi đoạn dài 11,8 m này là:

4,87x4+0,4x11,8x3+0,3x11,8x5+6x2+6 = 69,34 m2.

Trong khung đỡ thấp khoảng cách phía dưới tầng liên kết dưới cao hơn đầu ống bê tông dự ứng lực 4,1 m. Nếu ta nâng tầng liên kết dưới khung đỡ lên thêm 5 m và khoảng cách phía dưới tầng liên kết dưới cao hơn đầu ống bê tông dự ứng lực chỉ còn 0,1 m thì ống bê tông dự ứng lực sẽ cao thêm: 5+4 = 9 m và thanh thép có răng hình chữ T cũng phải dài thêm 9 m, nên tổng hình chiếu sẽ tăng lên thành:

69,34+0,35x9x4+0,3x9+2x0,3x4 = 87,04 m2.

Nếu chỉ nâng khung đỡ thấp cao thêm 5 m thì tổng hình chiếu sẽ là:

69,34+0,35x5x4+0,3x5 = 77,84 m2.

Khung đỡ càng cao tổng hình chiếu càng tăng thêm, khi thủy triều xuống đến mức thấp nhất tức thấp hơn 2 m so với mức bình thường thì các tổng hình chiếu của các khung đỡ trên lần lượt sẽ là: 72,14 m2, 89,84 m2 và 80,64 m2.

Khung đỡ có 3 hàng phao nên hệ số cản tạm tính là 3,0 cho an toàn.

2.3. Kết quả tính toán:

Từ đó ta có thể tính được giới hạn trên của lực đẩy của gió và dòng chảy biển vào phao rồi vào bộ phận giữ phao, lực đẩy của gió vào đoạn khung đỡ dài 11,8 m khi thủy triều xuống đến mức thấp nhất như sau:



Trong biểu này ta thấy chênh lệch 2 tầng liên kết của khung đỡ xa bờ hơn khung đỡ gần bờ 1 m do trên khung đỡ xa bờ không gắn thêm điện gió nhỏ và điện mặt trời nên mặt trên của thanh thép chịu lực tầng liên kết trên chỉ cần cách đầu trên của ống thép cột chống 0,5 m. Làm như vậy thì theo nguyên tắc đòn bẩy lực tác động lên các bánh lăn và bánh răng của bộ phận giữ phao cũng giảm bớt.

Trên vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau gió thường xuyên thổi song song với khung đỡ nên khung đỡ rất vững chắc. Khi thủy triều lên đến mức cao nhất thì giới hạn trên các lực tác động do gió và dòng chảy biển vào các bánh răng đỡ răng và bánh lăn đỡ phía sau thanh thép có răng như sau:



Khi gió thổi song song với khung đỡ thì momen lực do mặt sóng nghiêng vẫn tác động chủ yếu vào các bánh lăn phía dưới của bộ phận giữ phao, nên khi thủy triều thay đổi thì giới hạn trên của tổng lực tác động do momen lực của mặt sóng nghiêng, gió và dòng chảy biển vào bánh răng và bánh lăn phía dưới đỡ răng và phía sau thanh thép có răng thay đổi như sau:



Các bạn làm về công trình biển và thủy lợi chắc là biết rất rõ cách tính dòng chảy biển và dòng sông tác động vào vật chắn như thế nào, rất mong các bạn chỉ bảo giúp về phương pháp tính và dùng thử phương pháp đó để tính thử xem kết quả tính toán có sai khác nhiều với kết quả tôi vừa mới tính được hay không?

 

3. Gió bão và sóng thẳng góc với khung đỡ tác động thế nào đến khung đỡ của điện sóng biển?

Khung đỡ không những bị tác động do gió mà còn bị thêm các lực tác động sau:

3.1. Gió thổi thẳng góc với khung đỡ tác động đến bộ phận giữ phao rồi tác động đến khung đỡ của điện sóng biển:

Ta đã tính được lực lớn nhất của gió thổi thẳng góc với khung đỡ tác động vào phao rồi từ đó tác động vào các bánh lăn giữ hai bên thanh thép có răng ở phía trên và ở phía dưới, các lực tác động đó ngược chiều nhau, trong trường hợp này khung đỡ cũng lại là 1 đòn bẩy với điểm tựa là chân các cột chống ở dưới đáy biển. Trong khung đỡ thấp các bánh lăn phía dưới cách đáy biển: 12,3+5 = 17,3 m, các bánh lăn phía trên cách đáy biển: 17,3+4,7 = 22 m, tổng hợp lực tác động vào khung đỡ thấp gần bờ ở chỗ ngang với các bánh lăn phía dưới là: 0,9-0,66x22/17,3 = 0,06 tấn. Bằng các cách tính tương tự ta có thể tính được tổng hợp lực tác động vào chỗ ngang với các bánh lăn phía dưới là 0,15 tấn đối với khung đỡ thấp xa bờ, 0,05 tấn đối với khung đỡ nâng cao gần bờ, 0,12 tấn đối với khung đỡ nâng cao xa bờ và 0,05 tấn đối với khung đỡ trung gian gần bờ. Phao hàng thứ 3 đã được phao hàng thứ 1 che gió, nhưng tôi vẫn cứ nhân 3 cho an toàn.

3.2. Sóng tác động thế nào đến khung đỡ của điện sóng biển?

Tại vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau gió thường thổi theo hướng đông bắc - tây nam hoặc tây nam - đông bắc và khung đỡ của điện sóng biển cũng đặt theo hướng này. Sóng ngoài biển xa theo hướng của gió, khi gặp bờ biển nông sóng mới dần dần đổi hướng và lao thẳng vào bờ. Khi sóng lao vào bờ chưa chắc đã là hướng đông nam tức là hướng thẳng góc với khung đỡ. Khung đỡ ở nơi biển sâu 5 m nên sóng lại càng chéo góc hơn, khung đỡ lại càng vững chắc hơn và sóng đến các phao trong cùng một hàng cũng khác nhau. Khi đi tắm biển nhìn đường đỉnh sóng ta có thể thấy chúng không thật sự là một đường thẳng. Các phao ta muốn cho chúng thật thẳng hàng nhưng khi lắp đặt cũng bị lệch đi một ít. Như vậy hiện tượng cộng hưởng theo từng hàng phao cũng rất khó xảy ra. Nhưng ta cứ tạm coi như có xảy ra trường hợp cộng hưởng theo từng hàng phao.

Trong phần 1 của Phụ lục này đã tính được giới hạn trên của lực tác động vào các bánh lăn phía dưới của bộ phận giữ phao là 4,33 tấn khi dùng khung đỡ thấp và 2,91 tấn khi dùng khung đỡ nâng cao hoặc khung đỡ trung gian gần bờ cho phao hình trụ tròn đường kính 6 m cao 2,6 m với mục đích là các bánh lăn phải chịu đựng được các lực lớn như vậy. Nhưng các lực đó cũng tác động ngang vào khung đỡ. Do sóng có chu kỳ và có 3 hàng phao nên phao ở hàng này tác động mạnh vào khung đỡ, nhưng ở hàng khác lại tác động yếu hơn hoặc tác động theo chiều ngược lại nên ta phải tính tổng lực tác động này. Khung đỡ dài đến gần 9 km nên điểm yếu nhất là khi bị tác động thẳng góc với nó. Để phục vụ cho việc tính toán tổng các lực thẳng góc đó vào 1 đoạn khung đỡ dài 11,8 m xin trích ra kết quả tính toán khi sóng vào đến nơi biển sâu 5 m như sau:



Trong Chương trình tự động tính toán của tôi đã tính chi tiết cho sóng cao 10 m, 8 m, 6 m, 5,9 m, 5,8 m,..., 0,1 m, nhưng vì nó quá dài nên chỉ trích ra một số kết quả trên. Riêng đối với sóng cao 0,75 m có bước sóng đúng bằng khoảng cách giữa các tâm phao của 2 hàng cạnh nhau nên tôi phải tính thêm.

Với cách tính nửa trước phao hoàn toàn ngập nước và nửa sau phao không ngập tí nước nào thì dù sóng có cao đến mấy chục mét cũng không thể có được nên đó chỉ là tính giới hạn trên mà thôi. Trong trường hợp sóng ngoài biển xa cao 10 m thì sóng nơi biển sâu 5 m sẽ cao hơn và ta tạm coi nó có lực đẩy lớn như vậy. Đối với các sóng thấp hơn tính theo tỷ lệ điện có thể sinh ra.

Sóng biển lúc mạnh lúc yếu, chu kỳ và bước sóng lúc mạnh cũng lớn hơn lúc yếu. Vì thế tôi phải cùng lúc tính lực tác động của nhiều loại sóng khác nhau xem tại thời điểm đó lực tác động ngang vào khung đỡ của loại sóng nào là lớn nhất để tìm lực đẩy khung đỡ lớn nhất là bao nhiêu và là của loại sóng nào. Tạm coi sóng hình sin nên 1 bước sóng L ứng với 2∏ radian, cứ 10,219 m lại có một hàng phao nên 2 hàng phao cạnh nhau cách nhau một góc là: 10,219x2∏/L. Hàm cosin cũng giống hệt hàm sin và cos0 = 1 nên ta có thể xuất phát từ góc 0 radian rồi cho các góc lớn dần lên cho các góc đến hết chu kỳ. Do 2∏ = 3,1416x2 = 6,2832 nên ta cho góc biến động dần từ 0, 0,1, 0,2,..., 6,3 để tìm xem tại góc nào lực đẩy ngang vào khung đỡ lớn nhất và ghi kết quả lớn nhất đó lại. Trên vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau rất ít khi có sóng cao từ 4 đến 6 m và trong các bản tin dự báo sóng biển đã thu thập được tôi chưa thấy khi nào có sóng cao trên 6 m, nên tôi ghi cả 2 trường hợp sóng cao từ 10 m trở xuống và sóng cao từ 6 m trở xuống. Khung đỡ có 3 hàng phao nên ta có 3 cách để xuất phát và kết quả của chúng về lực tác động lớn nhất và nó là của loại sóng nào cũng giống nhau. Vì thế tôi xin giới thiệu biểu xuất phát từ hàng phao thứ hai vì nó có lực tác động lớn nhất cho cả sóng cao từ 10 m trở xuống và từ 6 m trở xuống tại cùng một góc quay như trong biểu sau:



Tại vị trí có lực lớn nhất tôi đã dùng chữ đậm và gạch chân cho dễ nhìn, nhìn vào dòng đầu biểu và biểu đầu tiên ta thấy:

- Lực đẩy ngang lớn nhất vào khung đỡ thấp là 2,23 tấn và vào khung đỡ nâng cao là 1,5 tấn khi sóng ngoài biển xa cao 10 m với chu kỳ sóng là 11,12 giây và bước sóng nơi biển sâu 5 m là 35,36 m.

- Đối với sóng cao dưới 6 m thì lực đẩy ngang lớn nhất vào khung đỡ thấp là 1,62 tấn và vào khung đỡ nâng cao là 1,09 tấn khi sóng ngoài biển xa cao 4 m với chu kỳ sóng là 7,28 giây và bước sóng nơi biển sâu 5 m là 23,16 m.

- Tại độ cao sóng hết sức đặc biệt là 0,75 m với chu kỳ sóng là 3,31 giây và bước sóng nơi biển sâu 5 m là 10,219 m tuy lực đẩy ngang được nhân 3 nhưng kết quả chỉ là lực đẩy ngang vào khung đỡ thấp là 0,21 tấn và trong khung đỡ nâng cao là 0,14 tấn.

Tôi chỉ tính cho khung đỡ gần bờ, không tính cho khung đỡ xa bờ vì khi đó lực đẩy song song với khung đỡ nên khung đỡ rất khỏe.

Đối với cột chống của khung đỡ cũng cần phải tính toán. Cột chống của khung đỡ có đường kính 0,35 m và cách nhau 11,8 m mới có cột chống. Khi sóng đến nửa trước của cột chống ngập sâu hơn tạo nên lực đẩy từ phía trước ra phía sau, khi đỉnh sóng đi qua nửa sau của cột chống ngập sâu hơn tạo nên lực đẩy từ phía sau ra phía trước. Đường kính cột chống chỉ bằng 5,83% so với đường kính phao, tiết diện cột chống chỉ bằng 0,34% so với tiết diện phao nên lực đẩy rất nhẹ. Có 5 hàng cột chống, cái thì đẩy từ trước ra sau, cái thì đẩy từ sau ra trước. Việc tính toán lực đẩy lớn nhất vào cột chống không hề đơn giản, nên tôi cứ tạm cho khi sóng ngoài biển xa cao 10 m có hẳn lực đẩy vào cột chống là 1 tấn, chắc là không lớn đến mức như vậy. Nhưng khung đỡ lại ở trên cao và chân cột chống được cắm xuống đáy biển, theo cách tính đòn bẩy ta tính được lực lớn nhất của cột chống đó đẩy vào khung đỡ thấp là 405 kg và đẩy vào khung đỡ nâng cao là 314 kg. Khi đó ta có kết quả tính toán như sau:



Lưu ý là khi tính lực đẩy thì hàng thứ nhất và hàng thứ năm chỉ tính nửa cột chống vì tại 2 hàng này cứ 23,6 m mới có 1 cột chống.

Tại vị trí có lực lớn nhất tôi đã dùng chữ đậm và gạch chân cho dễ nhìn, nhìn vào dòng đầu biểu và biểu đầu tiên ta thấy:

- Lực đẩy ngang lớn nhất vào khung đỡ thấp là 165 kg và vào khung đỡ nâng cao là 128 kg khi sóng ngoài biển xa cao 8 m với chu kỳ sóng là 9,97 giây và bước sóng nơi biển sâu 5 m là 31,52 m.

- Đối với sóng cao dưới 6 m thì lực đẩy ngang lớn nhất vào khung đỡ thấp là 103 kg và vào khung đỡ nâng cao là 80 kg khi sóng ngoài biển xa cao 6 m với chu kỳ sóng là 8,8 giây và bước sóng nơi biển sâu 5 m là 27,13 m.

Muốn biết lực đẩy ngang lớn nhất vào khung đỡ điện sóng biển của từng loại sóng chỉ cần viết một số lệnh của EXCEL và cho chạy chương trình là có ngay 3 biểu sau:



Điều đặc biệt trong quá trình tính toán biểu thứ hai này là tại tất cả các góc quay tổng các lực tác động do sóng biển vào các cột chống khi sóng ngoài biển xa cao 2,5 m đều bằng 0, chính xác hơn là đều dưới 0,449 kg. Đó là do sóng ngoài biển xa cao 2,5 m khi vào nơi biển sâu 5 m thì bước sóng chỉ còn 20,04 m gần gấp đôi khoảng cách giữa tâm của 2 hàng cột chống cạnh nhau và số cột chống ở 2 hàng cột chống thứ nhất và thứ năm đều chỉ bằng nửa các hàng phía trong.

3.3. Tổng các lực tác động ngang đến khung đỡ của điện sóng biển theo thủy triều:

Ta đã tính được các lực đẩy ngang lớn nhất vào bộ phận giữ phao và khung đỡ. Nhưng những lực này lại xảy ra trong những điều kiện hoàn toàn khác nhau, cụ thể là: Lực đẩy lớn nhất do gió tác động vào phao rồi qua đó tác động vào khung đỡ và do gió thổi thẳng góc với khung đỡ chỉ xảy ra trong điều kiện thủy triều xuống đến mức thấp nhất. Lực đẩy lớn nhất do momen lực tác động vào bánh lăn phía dưới của bộ phận giữ phao chỉ xảy ra trong điều kiện thủy triều lên đến mức cao nhất. Lực đó và lực do sóng tác động vào các cột chống rồi qua đó tác động vào khung đỡ chỉ xảy ra trong điều kiện thủy triều lên đến mức cao nhất. Lực đẩy lớn nhất do momen lực tác động vào bánh lăn phía dưới của bộ phận giữ phao rồi qua đó tác động vào khung đỡ xảy ra trong điều kiện sóng ngoài biển xa cao 4 m. Lực đẩy lớn nhất do sóng tác động vào các cột chống rồi qua đó tác động vào khung đỡ xảy ra trong điều kiện sóng ngoài biển xa cao 6 m. Vì thế ta cần xem trong cùng một điều kiện của thủy triều thì các lực tác động đó là bao nhiêu và 2 lực đẩy do sóng có chu kỳ cần cộng lại để tìm xem khi sóng ngoài biển xa cao bao nhiêu mét thì tổng của chúng lớn nhất. Để làm việc này tôi đưa các biểu tính lực tác động đó vào trong cùng 1 file Luctacdong.xls với 4 sheet rồi kết nối chúng lại với nhau. 4 sheet đó gồm: Sheet Tonghop chứa biểu tổng hợp, sheet Thanggoc chứa biểu tính các lực tác động của gió và dòng chảy biển vào bộ phận giữ phao và khung đỡ khi gió thổi thẳng góc với khung đỡ, sheet Songsong chứa biểu tính các lực tác động của gió và dòng chảy biển vào bộ phận giữ phao khi gió thổi song song với khung đỡ, sheet Chuky chứa biểu tính các lực tác động của sóng có chu kỳ và gió vào phao rồi tác động lên khung đỡ khi gió thổi thẳng góc với khung đỡ. Biểu tổng hợp gồm 2 phần:

- Phần 1 về điều kiện tự nhiên: Trong đó có tốc độ gió, tốc độ dòng chảy biển và độ cao của thủy triều so với mức bình thường. Muốn thay đổi các số liệu này chỉ cần thay đổi số liệu trong các ô màu xanh.

- Phần 2 về kết quả tính toán các lực tác động lớn nhất gồm:

+ Mục a là giới hạn trên của các lực tác động vào bánh lăn hoặc bánh răng phía dưới của bộ phận giữ phao, giới hạn đó thay đổi theo độ cao của thủy triều. Gọi là giới hạn trên vì momen lực do mặt sóng nghiêng tính trong điều kiện nửa phao phía trước đầy nước và nửa phao phía sau không có tí nước nào hoặc ngược lại, gió đẩy phao hoàn toàn nằm trên mặt nước và dòng chảy biển đẩy phao hoàn toàn nằm dưới mặt nước. Trong điều kiện bình thường thì các lực đó nhỏ hơn nhiều.

+ Mục b là các lực tác động vào khung đỡ khi gió thổi thẳng góc với khung đỡ, do gió thổi vào 3 phao hoàn toàn nằm trên mặt nước và do sóng có chu kỳ tác động vào khung đỡ.

Chỉ cần thay đổi các ô màu xanh trong biểu tổng hợp thì tất cả các kết quả tính toán trong các biểu ở 2 sheet Thanggoc, Songsong và các số liệu có liên quan trong biểu tổng hợp sẽ thay đổi theo. Chỉ cần bấm phím điều khiển ngay cạnh biểu tổng hợp để chạy chương trình khoảng 10 giây thì tất cả các kết quả tính toán trong biểu cuối cùng ở sheet Chuky và các số liệu có liên quan trong biểu tổng hợp sẽ thay đổi theo.

Khi thủy triều xuống đến mức thấp nhất (-2 m) ta có kết quả như sau:



Nhìn vào biểu ta thấy giới hạn trên tác động của gió, dòng chảy biển tác động vào bánh lăn hoặc bánh lăn phía dưới của bộ phận giữ phao và gió tác động vào đoạn khung đỡ khi bị thổi thẳng góc giống hệt các số liệu có trong biểu trong mục 2.3. Nếu tính khi thủy triều lên đến mức cao nhất cao hơn mức trung bình 2 mét, ta gõ 2 vào ô màu xanh của dòng đó và bấm phím điều khiển để chạy chương trình thì có kết quả là: Các số vừa nêu sẽ giảm bớt nhưng momen lực do mặt sóng nghiêng tác động vào bánh lăn hoặc bánh răng phía dưới của bộ phận giữ phao lại giống hệt các số liệu đã có trong phần 1 của Phụ lục là 4,33 tấn và 2,91 tấn. Lực tác động lớn nhất do sóng có chu kỳ vào phao là 1,65 tấn và 1,11 tấn; mở sheet Chuky về kết quả tính toán các lực tác động vào khung đỡ do sóng có chu kỳ ta thấy trong điều kiện sóng cao dưới 6 m thì lực tác động lớn nhất khi sóng ngoài biển xa cao 4,5 m. Lực của gió tác động vào phao rồi từ đó tác động lên đoạn khung đỡ cũng tăng lên.

Trong biểu này ta không cần quan tâm đến các lực tác động vào bánh lăn hoặc bánh răng phía trên của bộ phận giữ phao vì chúng đều nhỏ hơn các lực tác động vào bánh lăn hoặc bánh răng phía dưới.

Khi thủy triều lên cao và gió thổi thẳng góc với khung đỡ thì lực của gió tác động vào phao rồi từ đó tác động lên đoạn khung đỡ tăng lên, lực tác động lớn nhất do sóng có chu kỳ vào khung đỡ cũng tăng lên, nhưng lực của gió giảm xuống nên tổng các lực tác động vào khung đỡ không thay đổi nhiều, cụ thể như trong biểu sau:



Gắn thêm điện gió nhỏ và điện mặt trời lên tầng liên kết trên của khung đỡ sẽ tạo thêm vật lớn cản gió, càng ra ngoài biển xa càng có khả năng gặp bão lớn, vì thế trên vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau khi khung đỡ của điện sóng biển ra xa đến mức độ nào đó thì không nên làm việc này.

Dòng chảy biển song song với khung đỡ, trong khung đỡ xa bờ momen lực do mặt sóng nghiêng tác động chủ yếu vào bánh răng đỡ răng và bánh lăn đỡ phía sau thanh thép có răng nên khi có gió của áp thấp nhiệt đới hoặc bão thổi thẳng góc với khung đỡ thì giới hạn trên tổng lực tác động của momen lực do mặt sóng nghiêng và gió vào bánh lăn phía dưới của bộ phận giữ phao như sau:



4. Nhìn chung các loại lực tác động đến phao, bộ phận giữ phao và khung đỡ:

Bờ biển vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau chạy theo hướng đông bắc - tây nam, khung đỡ của điện sóng biển và dòng chảy biển cũng chạy theo hướng này, gió đông bắc và gió tây nam chiếm khoảng 83%. Lực tác động do mặt sóng nghiêng tác động chủ yếu vào các bánh lăn đỡ hai bên thanh thép có răng trong khung đỡ thấp dưới 4,33 tấn, trong khung đỡ trung gian gần bờ dưới 2,91 tấn. Gió của áp thấp nhiệt đới thổi theo nhiều hướng khác nhau nên cũng có lúc thổi thẳng góc với khung đỡ và tác động chủ yếu vào các bánh lăn đỡ hai bên thanh thép có răng và khi đó những bánh lăn này chịu tác động dưới 5,02 tấn đối với khung đỡ thấp gần bờ, dưới 3,54 tấn đối với khung đỡ nâng cao gần bờ và dưới 3,86 tấn đối với khung đỡ trung gian gần bờ, như trong biểu cuối cùng trong mục 3.3 của Phụ lục. Bánh lăn giữ phao phía trên chịu lực tác động ít hơn nên ta không cần tính đến. Trong khung đỡ ở nơi biển xa sóng cùng hướng với gió và dòng chảy biển nên trên vùng biển này nếu có bão với sức gió ở vùng gần tâm bão lên tới 100 km/giờ thì cũng có lúc cả 3 lực trên đều cùng hướng sẽ có kết quả là giới hạn trên của tổng lực tác động vào bánh răng nhận lực và bánh lăn đỡ phía sau thanh thép có răng của bộ phận giữ phao sẽ là dưới 5,55 tấn đối với khung đỡ nâng cao và dưới 7,29 tấn đối với khung đỡ thấp như trong biểu cuối cùng trong mục 2.3 của Phụ lục.
Cuối phần 1 của Phụ lục vừa nêu đã tính được mỗi bánh xe Belaz 75131 phải chịu sức nặng tối đa là 39,5 tấn khi đã chất đầy hàng, tức là gấp hơn 7,87 lần số 5,02 tấn, 11,16 lần số 3,54 tấn, 10,2 lần số 3,86 tấn, 7,12 lần số 5,55 tấn hoặc 5,42 lần số 7,29 tấn, khi xe chạy lực nén trên mỗi lốp còn lớn hơn nhiều. Như vậy các bánh lăn và bánh răng trong bộ phận giữ phao có thể chịu đựng được tốt các lực tác động vào phao của cả sóng do mặt sóng nghiêng, gió của áp thấp nhiệt đới hoặc bão và dòng chảy biển ở nơi biển xa nhưng cần phải làm cho thật chắc chắn.

Lưu ý là các lực trên đều là những lực giới hạn trên và gần như không thể xảy ra nên tính chỉ để biết mà đề phòng thôi, trong thực tế tổng của các lực đó sẽ ít hơn rất nhiều.
Tổng các lực tác động của gió trong áp thấp nhiệt đới hoặc bão thổi thẳng góc vào mỗi đoạn khung đỡ dài 11,8 m không thay đổi nhiều khi thủy triều thay đổi. Cụ thể là chỉ dưới 5,82 tấn đối với khung đỡ thấp gần bờ, dưới 5,69 tấn đối với khung đỡ trung gian gần bờ, dưới 6,22 tấn đối với khung đỡ nâng cao gần bờ, dưới 10,89 tấn đối với khung đỡ thấp xa bờ và dưới 13,36 tấn đối với khung đỡ nâng cao xa bờ. Với những lực dưới 6,22 tấn như vậy đối với khung đỡ gần bờ làm sao có thể lay chuyển nổi khung đỡ dài tới gần 9 km, rộng 41 m có 5 hàng cột chống cắm xuống đáy biển. Đối với khung đỡ xa bờ chỉ cần thỉnh thoảng bổ sung thêm 1 cụm 4 cột chống về phía trước hoặc phía sau rồi kết nối với khung đỡ cho khung đỡ vững chắc hơn.

Cần lưu ý đây là lực đẩy ngang vào khung đỡ, các cột chống càng xuống thấp càng bị lực uốn lớn hơn, vì thế cần mua loại cọc phải có thêm nhiều thép thường xen kẽ với thép cường độ cao để đảm bảo cột vừa chịu tải tốt, vừa có độ dẻo khi có lực lớn tác động. Nếu có cột bê tông cốt thép hình nón cụt rỗng thì việc giải quyết lực uốn cột chống càng xuống thấp càng mạnh đó tốt hơn. Mỗi khung đỡ điện sóng biển cần tới hơn 3.000 cột chống nên các nhà đầu tư có thể trao đổi với các đơn vị sản xuất ống bê tông dự ứng lực để sản xuất các ống hình nón cụt này.

Đối với những vùng biển từ Ninh Thuận trở ra gió bão mạnh hơn rất nhiều, dòng chảy biển cũng mạnh hơn làm cho các lực tác động vào bộ phận giữ phao và khung đỡ lớn hơn rất nhiều. Do không cắm thêm điện gió nhỏ và điện mặt trời nên trong các khung đỡ gần bờ khoảng cách giữa 2 tầng liên kết tăng thêm 1 m. Do phải cắm thêm những cụm 4 cột chống ở phía trước và phía sau khung đỡ nên lực tác động của gió vào mỗi đoạn khung đỡ dài 11,8 m sẽ mạnh hơn. Ta có thể dùng file lưctacdong.xls lưu với tên khác rồi sửa lại hình chiếu của khung đỡ cho phù hợp để dùng cho vùng khác. Thí dụ như sau khi sửa lại, trên vùng biển Quảng Trị đến Quảng Nam tạm tính tốc độ gió ở gần bờ giật tới 120 km/giờ tức gió cấp 12, xa bờ giật tới 160 km/giờ tức gió cấp 14; dòng chảy biển gần bờ 0,2 m/giây, xa bờ 1,2 m/giây, ta có ngay biểu tổng hợp khi thủy triều xuống đến mức thấp nhất như sau:
Vì thế việc bổ sung thêm những cụm 4 cột chống về phía trước và phía sau rồi kết nối với khung đỡ cho khung đỡ vững chắc hơn là rất cần thiết, các bánh lăn và bánh răng trong bộ phận giữ phao cũng cần làm cho thật chắc chắn để có thể chịu đựng được những lực nén rất mạnh. Khi đó khung đỡ điện sóng biển trên vùng biển Quảng Trị đến Quảng Nam sẽ có 9 hàng cột chống và rộng tới 82 m như trong hình sau:



Trong phần bổ sung thêm không có bộ phận giữ phao và các thiết bị gắn vào các thanh thép chịu lực nên chỉ cần làm rất đơn giản để chi phí không tăng lên quá nhiều, thí dụ như trong khung chịu lực cần tới 4 thanh thép U400x100x10.5x12 và 1 thanh thép U300x90x9x12 thì cũng vị trí đó ở phần bổ sung thêm chỉ cần 1 thanh thép U400x100x10.5x12 ở tầng liên kết dưới và 1 thanh thép U300x90x9x12 ở tầng liên kết trên.

Việc lắp ghép phao, bộ phận giữ phao và các thiết bị gắn vào các thanh thép chịu lực trên bờ dễ dàng hơn lắp ghép trên biển rất nhiều, nên ta có thể dùng những cụm 4 cột chống đã lắp ghép đầy đủ để cắm thêm như trong hình sau:



Với cách làm này thì chỉ còn hàng phao thứ hai thẳng hàng, còn hàng phao thứ nhất và hàng phao thứ ba đều có những phao lệch hẳn về phía trước hoặc về phía sau tới 20,5 m.

5. Lưu ý khi vận chuyển cả cụm 4 cột chống đã lắp sẵn phao ra biển

Trong bài đã viết về việc cần thuê tàu để vận chuyển các cụm 4 cột chống đã lắp sẵn phao đưa ra hiện trường để thả xuống biển. Nếu tàu cứ thả cả cụm xuống nước để kéo ra biển thì sẽ ra sao? Ta cần tính thử lực tác động vào phao trong trường hợp này xem sao?

Chỉ cần tàu chạy với tốc độ rất chậm là 30 km/giờ tức 8,33 m/giây đã có áp lực của nước biển là: P = 515x8,332 = 35.764 N/m2. Nếu phao nằm hoàn toàn trong nước biển sẽ phải chịu lực tác động ngang là: 35.764x15,6x0,8 = 446.333 N. Nếu tính ra kg cho dễ hiểu sẽ là: 446.333/9,8 = 45.544 kg tức 45,544 tấn. Nếu tàu chạy với tốc độ 40 km/giờ tức 11,11 m/giây, cũng tính toán theo cách này sẽ có lực tác động ngang vào phao là 80,967 tấn. Theo nguyên tắc đòn bẩy, lực tác động vào các bánh lăn và các bánh răng của bộ phận giữ phao sẽ chịu lực tác động lớn gấp mấy lần lực đó và chúng sẽ bị hỏng ngay lập tức. Vì vậy khi thuê tàu vận chuyển phải nêu rõ tuyệt đối không được làm việc này mà phải cẩu cả cụm từ bờ biển để đặt lên tàu, khi ra đến hiện trường tàu phải dừng lại rồi mới cẩu cả cụm từ tàu lên và thả xuống biển.

Tôi đã lấy một số kết quả tính toán của phụ lục này để viết bài: “Những cái quyết định sự thành bại của điện sóng biển làm theo cách hoàn toàn Việt Nam” và bài này đã được đăng trên Tạp chí Vật lý ngày nay của Hội Vật lý Việt Nam số 2 năm 2020 (tháng 6 năm 2020).

Rất mong mọi người kiểm tra giúp và góp ý với tôi về vấn đề này để tôi sửa lại bài cho tốt hơn.

 

Người xem có thể đặt câu hỏi: Momen lực do mặt sóng nghiêng tác động vào phao rồi từ đó tác động vào bánh lăn phía dưới của bộ phận giữ phao có giới hạn trên tới 4,33 tấn, vậy tại sao giới hạn trên của lực tác động ngang vào đoạn khung đỡ dài 11,8 m trong khung đỡ thấp lại chỉ có 1,62 tấn khi thủy triều lên đến mức cao nhất và sóng cao dưới 6 m? Đó là do khung đỡ có 3 hàng phao và do sóng có chu kỳ nên lực đẩy ngang lớn nhất của từng phao cũng khác nhau, thậm chí có phao đẩy theo chiều ngược lại. Nhân khi tính khung đỡ hình lượn sóng, phao có tới 7 vị trí khác nhau, ta cũng nên tìm 3 vị trí tốt nhất để 3 phao này tác động ngang vào khung đỡ ít nhất. Mở rộng cách đã tính toán cho tất cả các vị trí phao và cho chạy chương trình khoảng hơn 30 giây là có ngay các kết quả sau:



Nhìn vào các kết quả trên ta thấy khi khoảng cách giữa các hàng phao là 10,219 m thì cách tốt nhất là 3 hàng phao để ngay cạnh nhau. Trong khung đỡ trên vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau và khung đỡ hình lượn sóng trên các vùng biển từ Ninh Thuận trở ra ta đã làm điều này. Cách tốt thứ hai là sau phao thứ nhất để cách 2 hàng rồi bố trí phao thứ hai và tiếp đó là phao thứ ba hoặc bố trí 2 phao thứ nhất và thứ hai cạnh nhau còn phao thứ ba cách phao thứ hai 2 hàng. Đây chính là cách ta đã bố trí phao trên khung đỡ hình lượn sóng ở vùng biển Quảng Trị đến Quảng Nam chỉ có hàng phao thứ hai thẳng hàng, còn hàng phao thứ nhất và hàng phao thứ ba đều có những phao lệch hẳn về phía trước hoặc về phía sau tới 20,5 m khi tận dụng các cụm khung đỡ 4 cột chống đã lắp sẵn ở ngay trên bờ các loại phao, bộ phận giữ phao và các thiết bị gắn vào nó.
Nếu thay đổi khoảng cách giữa các hàng phao thì chỉ cần nhập số đó vào ô màu xanh rồi bấm nút ra lệnh chạy chương trình ở ngay dưới nó thì chỉ khoảng hơn 30 giây là có ngay các kết quả tính toán mới về lực tác động lớn nhất cho từng cách bố trí phao và lực đó xảy ra khi sóng ngoài biển xa cao bao nhiêu mét.