Luận văn tốt nghiệp: Thiết kế cảng container Mỹ Thới - Tàu 15.000 DWT

Đưa ra các nguyên tắc và tiêu chuẩn quốc tế khi thiết kế bản đồ trượt tuyết. Phân tích case study và xu hướng phát triển trong tương lai. Cung cấp thông tin

• Tác giả: Nguyễn Kiệt
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thế Duy
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công trình biển
• Đề tài: Thiết kế cảng container Mỹ Thới – Tàu 15.000 DWT
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế bản cầu tàu

Thiết kế bản cầu tàu là khâu cốt lõi trong xây dựng cảng container. Bản cầu tàu là kết cấu nằm trên hệ cọc và dầm. Nó nhận tải trọng từ thiết bị bốc xếp, container và phương tiện. Tại cảng Mỹ Thới, thiết kế phục vụ tàu container 15.000 DWT. Chiều dài tàu lớn nhất đạt 152m, chiều rộng 23m. Yêu cầu kết cấu phải đủ cứng và ổn định. Bản sàn được mô phỏng bằng phần tử shell trong phần mềm SAP2000. Dầm ngang, dầm dọc cần trục và dầm dọc ngoài ray tạo thành khung không gian. Tổng tải trọng theo phương đứng vượt 20.000 tấn. Con số này quyết định số lượng cọc cần thiết. Thiết kế tốt giúp cầu tàu chịu lực xô ngang khi tàu cập bến. Nó cũng giảm chuyển vị và kéo dài tuổi thọ công trình. Mọi tính toán đều dựa trên điều kiện tự nhiên thực tế của sông Hậu. Độ sâu trước bến và cao trình đáy bến là thông số nền tảng. Thiết kế bản cầu tàu vì thế gắn chặt với quy hoạch tổng thể cảng.

1.1. Vai trò của bản cầu tàu trong cảng container

Bản cầu tàu đỡ toàn bộ hoạt động bốc xếp trên bến. Cần trục STS đặt trực tiếp trên bản sàn. Mỗi cần trục nặng khoảng 1.200 tấn. Container xếp chồng tạo tải tập trung lớn. Bản cầu tàu truyền tải này xuống dầm rồi xuống cọc. Kết cấu phải phân bố lực đều và an toàn. Nếu bản yếu, công trình sẽ nứt và lún. Vì vậy thiết kế bản cầu tàu là ưu tiên hàng đầu. Nó bảo đảm khai thác liên tục cho tàu 15.000 DWT.

1.2. Thông số tàu thiết kế tại cảng Mỹ Thới

Tàu thiết kế là tàu container 15.000 DWT. Lượng giãn nước đạt 20.000 tấn. Chiều dài toàn bộ LOA bằng 152m. Chiều dài giữa hai đường vuông góc LBP là 145m. Chiều rộng tàu B đạt 23m. Các thông số này định hình kích thước bến. Chiều dài bến, chiều rộng và độ sâu trước bến đều bám theo tàu. Mớn nước khi đầy hàng quyết định cao trình đáy. Thiết kế bản cầu tàu lấy bộ thông số này làm dữ liệu đầu vào bắt buộc.

II. Phân tích điều kiện và vấn đề thiết kế bản cầu tàu

Phân tích điều kiện tự nhiên là bước không thể bỏ qua khi thiết kế bản cầu tàu. Vị trí cảng nằm ở khúc cong lớn nhất trên sông Hậu. Đây là phần lõm của bờ sông. Khu vực này có xu hướng xói nhiều hơn bồi. Diễn biến lòng sông giai đoạn 1995–1997 được đánh giá là bình thường. Vận tốc dòng chảy lớn nhất đạt 1,2 m/s khi triều lên. Mực nước dao động từ 2,5m đến 3,5m trong năm. Mực nước cao nhất ghi nhận là 2,89m năm 1978. Những con số này gây áp lực lên kết cấu. Dòng chảy mạnh tạo lực ngang lên cọc. Biên độ triều lớn làm thay đổi điều kiện làm việc của bản. Tải trọng động từ tàu cập bến cũng phải xét đến. Vấn đề lớn nhất là chuyển vị ngang khi tàu va vào kết cấu. Cọc thẳng chịu lực ngang kém hơn cọc xiên. Bản cầu tàu vì thế phải liên kết chặt với hệ cọc. Mọi sai sót về tải trọng sẽ dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng. Phân tích kỹ giúp chọn phương án kết cấu phù hợp.

2.1. Tác động của dòng chảy và mực nước

Dòng chảy sông Hậu đạt vận tốc 1,2 m/s lúc triều lên. Lực này tác động ngang lên hệ cọc đỡ bản. Biên độ mực nước thay đổi từ 2,5m đến 3,5m. Sự dao động làm điều kiện làm việc của bản luôn biến động. Khu vực cảng nằm ở phần lõm nên dễ xói. Xói đáy làm lộ chân cọc và giảm sức chịu tải. Thiết kế bản cầu tàu phải dự phòng cho hiện tượng này. Cao trình đáy bến cần đặt đủ sâu và an toàn.

2.2. Vấn đề lực xô ngang khi tàu cập bến

Tàu 15.000 DWT tạo lực va lớn khi cập bến. Lực này truyền qua trụ va vào kết cấu. Trụ va được mô phỏng như dầm tuyệt đối cứng. Kết cấu chỉ dùng cọc thẳng sẽ chuyển vị lớn. Chuyển vị quá mức gây nứt bản và dầm. Đây là vấn đề then chốt cần giải quyết. Lựa chọn giữa cọc thẳng và cọc xiên ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định. Bản cầu tàu phải đủ cứng để phân tán lực xô này.

III. Phương pháp và giải pháp thiết kế bản cầu tàu

Giải pháp thiết kế bản cầu tàu dựa trên mô hình khung không gian. Phần mềm SAP2000 được dùng để mô phỏng kết cấu. Dầm mô phỏng bằng phần tử thanh. Trụ va mô phỏng bằng phần tử dầm tuyệt đối cứng. Bản sàn mô phỏng bằng phần tử shell mỏng. Cách làm này phản ánh đúng ứng xử thực của công trình. Bước đầu xác định kích thước sơ bộ kết cấu bên trên. Sau đó tính tổng tải trọng theo phương đứng. Tổng tải đạt khoảng 20.007 tấn. Từ đó suy ra số lượng cọc sơ bộ cần thiết. Hệ dầm gồm dầm ngang, dầm dọc cần trục và dầm dọc ngoài ray. Bản mặt sàn dày 0,2m phủ toàn bộ diện tích bến. Tải người và thiết bị cùng cần trục STS được cộng vào. Bốn phương án kết cấu bên trên giống nhau về dầm và sàn. Khác biệt nằm ở hệ cọc bên dưới. Phương pháp này cho phép so sánh khách quan. Kỹ sư chọn phương án tối ưu về chi phí và độ bền. Tính lặp giúp tinh chỉnh kích thước đến khi đạt yêu cầu.

3.1. Mô hình hóa kết cấu bằng SAP2000

SAP2000 mô phỏng cầu tàu theo khung không gian ba chiều. Dầm dùng phần tử thanh để mô tả uốn và cắt. Bản sàn dùng phần tử shell mỏng để mô tả ứng suất phẳng. Trụ va dùng dầm tuyệt đối cứng để truyền lực va. Mô hình tổng hợp tải tĩnh và tải động. Kết quả cho nội lực tại mọi điểm nút. Từ nội lực, kỹ sư bố trí cốt thép và chọn tiết diện. Cách mô hình hóa này bảo đảm độ chính xác cao cho thiết kế bản cầu tàu.

3.2. Xác định tải trọng và số lượng cọc

Tổng tải đứng được lập bảng chi tiết theo từng hạng mục. Dầm ngang góp 2.142 tấn. Dầm dọc cần trục và dầm ngoài ray cộng gần 1.375 tấn. Bản mặt sàn nặng 487 tấn. Tải người và thiết bị thêm vào đáng kể. Hai cần trục STS đóng góp 2.880 tấn. Tổng cộng vượt 20.000 tấn. Con số này chia cho sức chịu tải một cọc cho ra số cọc sơ bộ. Bố trí cọc hợp lý giúp bản cầu tàu ổn định và tiết kiệm vật liệu.

IV. Kết luận và ứng dụng thiết kế bản cầu tàu

Thiết kế bản cầu tàu kết hợp lý thuyết và điều kiện thực địa. Dự án cảng Mỹ Thới cho tàu 15.000 DWT là ví dụ điển hình. Kết quả thiết kế đáp ứng nhu cầu xuất nhập khẩu container ngày càng tăng. Bản cầu tàu chịu được tải trọng cần trục và container. Nó cũng kháng lực xô ngang khi tàu cập bến. Phương pháp mô hình hóa SAP2000 cho kết quả tin cậy. Quy trình tính toán có thể áp dụng cho nhiều cảng khác. Các cảng trên sông lớn đều cần xét dòng chảy và triều. Kết cấu cọc và bản phải thích ứng với địa chất từng vùng. Bài học từ Mỹ Thới giúp rút ngắn thời gian thiết kế. Nó cũng nâng cao độ an toàn cho công trình biển. Thiết kế tốt giảm chi phí bảo trì về sau. Cảng vận hành ổn định góp phần phát triển kinh tế vùng. Ứng dụng đúng quy trình bảo đảm tuổi thọ dài lâu. Thiết kế bản cầu tàu vì thế là nền tảng cho mọi cảng container hiện đại.

4.1. Bài học kinh nghiệm từ cảng Mỹ Thới

Dự án cảng Mỹ Thới chứng minh giá trị của khảo sát kỹ. Số liệu dòng chảy và mực nước được thu thập đầy đủ. Diễn biến lòng sông được so sánh qua nhiều năm. Nhờ đó thiết kế bản cầu tàu bám sát thực tế. Việc chọn phương án kết cấu dựa trên so sánh khách quan. Mô hình SAP2000 giảm rủi ro tính toán. Kinh nghiệm này áp dụng được cho các cảng đồng bằng sông Cửu Long. Nó giúp kỹ sư trẻ tự tin hơn khi làm công trình biển.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng mở rộng

Quy trình thiết kế bản cầu tàu có thể nâng cấp thêm. Phần mềm hiện đại cho phép phân tích phi tuyến. Tải trọng động đất và sóng cũng nên được tích hợp. Vật liệu bê tông cường độ cao giúp giảm tiết diện. Cọc xiên có thể thay cọc thẳng để tăng ổn định. Mỗi cải tiến đều nâng cao hiệu quả khai thác. Ứng dụng số hóa giúp giám sát công trình theo thời gian thực. Hướng phát triển này phù hợp với cảng container quy mô lớn trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PORT and COASTAL ENGINEERING Department LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ CẢNG CONTAINER MỸ THỚI TÀU 15.000 DWT SVTH: NGUYỄN KIỆT MSSV: 81201778 GVHD: TS. NGUYỄN THẾ DUY Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12, 2016 THIẾT KẾ CẢNG CONTAINER MỸ THỚI – TÀU 15.000 DWT Lời cảm ơn Đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, đã tận tình dạy dỗ, hướng dẫn và truyền đạt những kinh nghiệm quý báu trong suốt bốn năm học vừa qua, những kiến thức ấy đã giúp em hoàn thành luận văn tốt nghiệp và đồng thời trang bị cho em hiểu biết và sự tự tin khi bước vào chặng đường tiếp theo. Đặc biệt, em xin gửi lời cám ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Thế Duy đã hướng dẫn em tận tình trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Thầy đã luôn gợi ý em nhận ra các sai sót và giúp sửa chữa những lỗi mà em mắc phải trong quá trình tính toán, đồng thời có thêm ý tưởng và phương án mới để giải quyết vấn đề hiệu quả và hợp lý hơn. Bên cạnh đó, Thầy luôn theo sát và cho em những lời khuyên hữu ích giúp em có thể hoàn thành bài luận văn đúng thời hạn, đạt được các yêu cầu và nhiệm vụ mà ban đầu đã đặt ra. Cuối cùng, em xin chân thành cám ơn toàn thể các thầy cô giáo giảng dạy tại Bộ môn Cảng – Công trình Biển đã tận tình chỉ bảo em trong suốt những năm qua, truyền đạt cho em một nền tảng lý thuyết cơ bản về công trình biển, từ đó có thể vận dụng vào luận văn tốt nghiệp một cách tốt nhất, đồng thời là tiền đề cho việc nghiên cứu tìm hiểu sâu hơn về chuyên ngành sau này. Trong quá trình làm luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, em mong sự góp ý từ phía thầy cô để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 12 năm 2016 Sinh viên thực hiện Nguyễn Kiệt 1 THIẾT KẾ CẢNG CONTAINER MỸ THỚI – TÀU 15.000 DWT Mục lục Lời cảm ơn . 2 Danh mục hình ảnh . 6 Danh mục bảng . 10 TỔNG QUAN CÔNG TRÌNH .3 Điều kiện giao thông, xây dựng và khai thác. 16 THU THẬP VÀ XỬ LÍ SỐ LIỆU.1 Điều kiện tự nhiên .2 Tình hình diễn biến lòng sông . 20 QUY HOẠCH CẢNG .1 Yêu cầu thiết kế .3 Lượng hàng thông qua cảng.4 Đề xuất công nghệ và thiết bị bốc xếp trên bến .1 Đề xuất quy trình xuất nhập hàng và phương án bốc xếp .2 Lựa chọn thiết bị bốc xếp .3 Tính toán số lượng thiết bị.5 Tính toán số lượng bến .6 Các đặc trưng của bến .1 Chiều dài bến .2 Chiều rộng bến .3 Độ sâu trước bến .4 Cao trình đáy bến .5 Cao độ lãnh thổ cảng .7 Khu đất của cảng.1 Diện tích bãi container .2 Diện tích kho C.3 Đường giao thông .4 Công trình phụ trợ .8 Khu nước của cảng .1 Luồng chạy tàu . 35 2 THIẾT KẾ CẢNG CONTAINER MỸ THỚI – TÀU 15.2 Vũng chờ tàu .3 Vũng bốc xếp hàng và chạy tàu .4 Vũng quay tàu.9 Quy hoạch mặt bằng bến cảng .1 Nguyên tắc bố trí .2 Các hạng mục cơ bản trong mặt bằng .3 Phương án bố trí mặt bằng bến .4 Đánh giá và lựa chọn phương án mặt bằng . 42 PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU BẾN.1 Các kiểu kết cấu bến trong công trình bến .2 Xác định kết cấu bến khả thi .2 Vật liệu sử dụng .3 Một số phương án thiết kế sơ bộ . 44 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN KẾT CẤU BẾN .1 Kết cấu bến cầu tàu .2 Quy trình tính toán kết cấu.3 Chi tiết kết cấu cọc các phương án .4 Tính toán sức chịu tải của cọc.5 Chiều dài tính toán cọc .6 Mô hình phương án 1 .7 Mô hình phương án 2 .8 Mô hình phương án 3 .9 Mô hình phương án 4 . 78 ĐỘNG ĐẤT TRONG CÔNG TRÌNH BIỂN .2 Một số phương pháp phân tích và tính toán động đất .1 Phương pháp phổ phản ứng .2 Phương pháp tính toán tĩnh phi tuyến (đẩy dần) .3 Phương pháp phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian .3 Lựa chọn các phương pháp tính toán .4 Thiết kế công trình biển chịu động đất theo phương pháp phổ phản ứng . 82 CÁC LOẠI TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN BẾN .3 Tải trọng môi trường .4 Tải trọng do cần trục .5 Tải trọng do tàu . 91 3 THIẾT KẾ CẢNG CONTAINER MỸ THỚI – TÀU 15.6 Tải trọng do hàng hóa và các phương tiện vận chuyển .1 Tải trọng do hàng hóa .2 Tải trọng do xe đầu kéo . 106 TỔ HỢP TẢI TRỌNG .1 Kí hiệu các loại tải trọng .2 Tổ hợp tải trọng .1 Tổ hợp tải trọng trong điều kiện thường.2 Tổ hợp tải trọng xét đến động đất . 141 GIẢI TĨNH LỰC KẾT CẤU .1 Khai báo các trường hợp tải trọng trong SAP2000.1 Tải hàng hóa .2 Tải cần trục .3 Tải dòng chảy .4 Lực va tàu .5 Lực neo tàu .6 Tải động đất .2 Nội lực và chuyển vị trong điều kiện không xét động đất .5 So sánh các phương án trong điều kiện không xét động đất .3 Nội lực và chuyển vị trong điều kiện động đất .5 So sánh nội lực và chuyển vị trong điều kiện thường so với động đất .5 Kết quả nội lực phương án chọn thiết kế . 173 THIẾT KẾ CÁC CẤU KIỆN .2 Đặc trưng vật liệu .3 Tính cốt thép dầm ngang (B x H = 1500 x 1600mm) .4 Tính cốt thép dầm dọc cần trục (B x H = 1400 x 1600mm) .5 Tính cốt thép dầm dọc ngoài ray cần trục (B x H = 1200 x 1400mm) .6 Tính cốt thép bản mặt .7 Kiểm tra độ mở rộng vết nứt . 187 4 THIẾT KẾ CẢNG CONTAINER MỸ THỚI – TÀU 15.1 Kiểm tra sự hình thành khe nứt thẳng góc .2 Tính toán bề rộng vết nứt .8 Kiểm tra độ võng hệ dầm .9 Kiểm tra xuyên thủng .1 Kiểm tra xuyên thủng do tác dụng một cặp bánh xe .2 Kiểm tra xuyên thủng do tác dụng một trục bánh xe.3 Kiểm tra xuyên thủng do tác dụng toàn bộ xe . 199 THI CÔNG CÔNG TRÌNH .1 Trình tự và biện pháp thi công .1 Công tác chuẩn bị .2 Công tác đóng cọc thử .3 Công tác đóng cọc đại trà .4 Công tác thi công bê tông cầu dẫn .5 Công tác thi công bê tông cầu chính.6 Công tác hoàn thiện . 202 Tài liệu tham khảo . 203 5 THIẾT KẾ CẢNG CONTAINER MỸ THỚI – TÀU 15.000 DWT Danh mục hình ảnh Hình 1.1 – Vị trí cảng Mỹ Thới .1 – Bình đồ cảng và các hố khoan .2 – Mặt cắt địa chất qua điểm A HK1 HK4 .1 – Tàu hàng tổng hợp 15000 DWT .2 – Quy trình nhập hàng bằng hệ thống xe mooc .3 – Quy trình xuất hàng bằng hệ thống xe mooc .4 – Sơ đồ xuất nhập container .5 – Kích thước cơ bản cần trục STS .6 – Đầu kéo container và romooc .7 – Kích thước cơ bản cần trục RTG .8 – Hình ảnh thực tế xe chụp đầu .9 – Sơ đồ tính toán các thông số của luồng tàu .10 – Kích thước vũng đợi tàu .11 – Quá trình tàu cập bến ngược dòng .12 – Quá trình tàu cập bến xuôi dòng.13 – Mặt bằng bố trí phương án 1 .14 – Mặt bằng bố trí phương án 2 .1 – Các kiểu kết cấu công trình bến.1 – Kích thước dầm dọc và dầm ngang .2 – Kết cấu bên trên cầu tàu .3 – Mặt bằng phân đoạn I cầu tàu .4 – Lưu đồ thiết kế chọn kích thước cọc tối ưu .5 – Sơ đồ tính toán sức chịu tải cọc theo đất nền .6 – Biểu đồ sức chịu tải của cọc bê tông và thép theo cường độ đất nền D700 .7 – Biểu đồ sức chịu tải của cọc bê tông và thép theo cường độ đất nền D1000 .8 – Sơ đồ tính chiều dài chịu uốn cọc .9 – Sơ đồ tính toán độ lún đầu cọc .10 – Mô hình cọc tính toán trong SAP2000 .11 – Khai báo độ cứng lò xo.12 – Khai báo ngàm trượt . 64 6 THIẾT KẾ CẢNG CONTAINER MỸ THỚI – TÀU 15.13 – Mô hình 3D phương án 1.14 – Mặt cắt ngang bến phương án 1 .15 – Mô hình 3D phương án 2.16 – Mặt cắt ngang bến phương án 2 .17 – Mô hình 3D phương án 3.18 – Mặt cắt ngang bến phương án 3 .19 – Mô hình 3D phương án 4.20 – Mặt cắt ngang bến phương án 4 .1 – Các phương pháp tính toán kết cấu chịu động đất .2 – Sơ đồ xác định phổ thiết kế phản ứng đàn hồi .3 – Dạng của phổ phản ứng đàn hồi .4 – Phổ phản ứng đàn hồi cho các loại nền đất từ A đến E (độ cản 5%) .5 – Biểu đồ phổ phản ứng đàn hồi .1 – Sơ đồ các tải trọng cần tính toán .2 – Biểu đồ tra hệ số CD tính toán .3 – Sơ đồ và vị trí tải cần trục.4 – Sơ đồ tính toán và thiết kế đệm va .5 – Kích thước trụ đệm va .6 – Biểu đồ năng lượng, biến dạng và phản lực của đệm va .7 – Kích thước bề mặt đệm va .8 – Áp lực lớn nhất phân bố lên bản đệm .9 – Phạm vi tàu tác dụng lên bến .10 – Lực va tàu tác dụng lên bến .11 – Sơ đồ tính toán neo tàu .12 – Sơ đồ vị trí các dây neo cho tàu .13 – Sơ đồ tính toán góc β .14 – Sơ đồ phân bố tải trọng neo tàu trên một bích neo .15 – Bích neo bố trí cho bến .16 – Mặt cắt ngang hoạt tải do hàng hóa .17 – Mặt bằng hoạt tải do hàng hóa .1 – Sơ đồ các trường hợp tổ hợp tính toán .1 – Tải hàng hóa U1 .2 – Tải hàng hóa U2 và U3 .3 – Tải hàng hóa U4 và U5 . 142 7 THIẾT KẾ CẢNG CONTAINER MỸ THỚI – TÀU 15.4 – Tải hàng hóa U6 và U7 .5 – Tải hàng hóa U8, U9 và U10 .6 – Gán giá trị tải hàng hóa tại mép bến .7 – Gán giá trị tải hàng hóa tại giữa bến .8 – Khai báo dữ liệu làn xe trên dầm cần trục trước .9 – Mặt bằng kí hiệu phần tử dầm của cần tàu .10 – Tải trọng 1 cần trục tác dụng lên ray trước .11 – Tải trọng của 1 cần trục tác dụng lên ray sau .12 – Tổng số thiết bị khai báo .13 – Nhóm tải trọng tác dụng lên ray trước.14 – Nhóm tải trọng tác dụng lên ray sau .