Thiết kế kĩ thuật khối chân đế giàn BK Viện Xây Dựng Công trình Biển ở độ sâu 75m nước

Luận văn : Thiết kế kĩ thuật khối chân đế giàn BK Viện Xây Dựng Công trình Biển ở độ sâu 75m nước

Mục lục:

Phần I: Tổng quan:

I.1.Đặc điểm chung và phõn loại cụng trỡnh……… … 4

II.2.Đặc điểm chung của cụng trỡnh………4

+Ưu điểm……… 5

+Nhược điểm……… 5

+Phạm vi ỏp dụng……… 5

Phần II: Nhiệm vụ thiết kế và các số liệu phục vụ thiết kế: I.Mục tiờu của đồ ỏn……… 5

II.Số liệu đầu vào……… 5

II.1.Số liệu môi trờng……… ……… 5

II.2.Số liệu công trình……… 7

II.2.1 Chức năng của công trình……… 7

II.2.2 Thợng tầng……… 7

II.2.3 Số liệu về vật liệu……… 8

II.3 Xử lý các số liệu đầu vào ………8

II.3.1 Xác định các mực nớc tính toán……… 8

II.3.2 Chọn 2 hớng sóng tác động lên công trình……… 9

II.3.3 Chiều cao công trình ……… 9

Phần III: Xây dựng và lựa chọn phơng án Nguyên tắc xây dựng phơng án ……… 10

II Lựa chọn dạng kết cấu: ……… 11

III.Đề xuất phơng án kết cấu chân đế ……….… 11

III.1.Giới thiệu các giải pháp kết cấu dạng kết cấu……….……… 12

III.1.1.Phơng án kết cấu……… 12

III.1.2 Xác định các kích thớc ban đầu……….…… 12

1 Kích thớc thớc công trình……… 12

2.Xác định sơ bộ kích thớc các thanh theo tiêu chuẩn API ……… 12

a . Xác định sơ bộ kích thớc các thanh ngang và thanh xiên……… … 13

b.Xác định sơ bộ kích thớc ông chính và cọc……… … 13

III.1.3 Tính toán sơ bộ sức chịu tải của cọc……… … 13

1 Mục đích……… … 13

2 Phơng pháp tính sơ bộ sức chịu tải của cọc ……… 14

2 Kiểm tra độ mảnh của các phần tử ……… 14

3 Xác định hớng đặt công trình ……… 15

Phần IV Tính toán nội lực và biến dạng I Phơng pháp tính toán kết cấu chân đế ctbcddbt……… 17

II.Tính toán dao động riêng ……… 18

II.1 Mô hình hóa kết cấu chân đế……… 18

II.2 Mô hình hóa sự làm việc của cọc và đất nền ……… 18

II.3 Giải bài toán dao động riêng: ……….………… 19

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

II.3.1 Tính toán các loại khối lợng……… ………… 21

1 Xác định khối lợng thợng tầng……… … ……… 21

2 Xác định khối lợng bản thân kết cấu quy đổi……… 21

3 Xác định khối lợng hà bám tại thanh……… ……… 22

4 Xác định khối lợng nớc kèm của các thanh ngập nớc……… ……… 23

5 Khối lợng nớc trong ống……… ……… 23

6 Khối lợng vữa trám ……… 23

II.3.2 Tính dao động riêng……….……… 24

III Xác định tải trọng tác động lên công trình ……… ………… 25

III.1.Tải trọng thợng tầng ……… 26

III.2.Xác định tải trọng đẩy nổi:……… 26

III.3.Xác định tải trọng gió……… 27

III.4.Xác định tải trọng sóng và dòng chảy……….……… 30

III.4.1 Cơ sở lý thuyết……… …… ……30

III.4.2 Thời điểm tính toán sóng ……….……… 36

III.4.3 Kết quả tính tải trọng sóng, dòng chảy ……….……… 37

III.5 Xác định các tổ hợp tải trọng……….……… 41

III.6 Tính toán nội lực và chuyển vị kết cấu……… 42

III.7 Nhận xét kết quả tính ……… 42

Phần V: Kiểm tra cấu kiện I Kiểm tra phần tử thanh……… 43

I.1 Xác định các thành phần nội lực trong và ngoài mặt phẳng ……… 43

I.2 Điều chỉnh giá trị nội lực do lệch tâm……… 43

II Kiểm tra khả năng chịu lực ……… …… …… 44

II.1 Phần tử chịu nén……… … 44

II.2 Phần tử chịu uốn……… 44

II.3 Phần tử chịu cắt……… 45

II.4 Phần tử chịu xoắn……… 45

II.5 Phần tử thanh chịu lực phức tạp ……… 45

II.5.1 Phần tử thanh chịu tổ hợp ứng suất nén và uốn ……… 46

II.5.2 Phần tử thanh chịu tổ hợp ứng suất kéo và uốn……… 47

II.5.3 Kết quả kiểm tra……… 47

III Kiểm tra nút theo API ……… 47

III.1 Xác định các thành phần nội lực trong và ngoài mặt phẳng ……… 47

III.2 Điều chỉnh giá trị nội lực do lệch tâm……… 48

III.3 Kiểm tra chọc thủng cho nút đơn giản ……… 48

Phần VI Thiết kế nền móng I Lý thuyết tính toán móng cọc……… 52

I.1 Bài toán cọc chịu tải trọng ngang……… 53

I.2 Bài toán sức chịu tải dọc trục ……… 55

II.2.1 Trờng hợp cọc chịu nén……… 57

II.2.2 Trờng hợp cọc chịu kéo ……… 58

II.3 Xác định các đại lợng phục vụ tính toán ……… 59

II.3.1 Lực ma sát đơn vị giữa thành cọc và nền đất……… 59

II.3.2 Lực kháng mũi đơn vị tại đầu cọc……… 61

a Trờng hợp cọc chịu nén ……… 61

b.Trờng hợp cọc chịu nhổ ……….……… 62

II Tính toán móng cọc ……… 62

Phần VII.Thi cụng I.1 Lựa chọn phương ỏn thi cụng chế tạo và lắp dựng KCĐ……… 63

I.2 Lựa chọn phơng án thi công hạ thủy……… 64

I.3 Lựa chọn phơng án thi công vận chuyển đánh chìm……… 66

II Lập quy trình thi công ……… 68

II.1 Quy trình thi công chế tạo và lắp dựng……… 69

II 2 Quy trình thi công hạ thủy……… …… 69

II.3 Quy trinhg thi công vận chuyển và đánh chìm……….……… 70

II.4 quy trình đóng cọc……… 71

Các bài toán trong quá trình thi công……… 73

III.Tiến độ thi cụng……… …… 77

III.1.Tổng hợp vật t thiết bị, phơng tiện sử dụng trong chế tạo và lắp ráp dàn BK……… 77

III.2.Tổ chức xây dựng, tiến độ thi công……… 78

III.2.1Tổ chức nhân lực thi công trên bờ……… 79

III.2.2.Tổ chức nhân lực thi công trên biển……… 81

Phần I: Tổng quan

I ĐặC ĐIểM CHUNG Và PHÂN LOạI CÔNG TRìNH BIểN Cố ĐịNH:

Công trình biển cố định là các công trình đợc xây dựng và khi khai thác đợc cố định ngoài biển Công trình biển có những khác biệt lớn so với những công trình xây dựng trên

2 Công trình chịu những lực tác dụng rất lớn, đặc biệt là của sóng, có tính động và ngẫu nhiên, dễ gây mất ổn định và làm h hỏng nặng nề công trình nếu có sự sai sót trong thiết kế, thi công.

3 Công trình có thể chịu tác động đồng thời từ nhiều yếu tố động cực trị nh sóng to, gió mạnh, nớc dâng cao, cùng với những diễn biến phức tạp của điều kiện địa chất

đáy biển, các yếu tố về môi trờng.

4 Thờng phải thi công trong môi trờng động, luôn phải chịu áp lực của sóng gió nên có thể gặp nhiều khó khăn, rủi ro lớn.

Theo vật liệu làm thì CTBCĐ đợc chia làm 2 loại :

- Công trình biển cố định bằng thép

- Công trình biển cố định bằng bê tông cốt thép (công trình trọng lực)

II ĐặC ĐIểM CHUNG CÔNG TRìNH BIểN Cố ĐịNH BằNG THéP :

Công trình biển cố định bằng thép làm việc nh một khung không gian, các tải trọng tác dụng đợc truyền xuống nền đất thông qua móng cọc đóng sâu vào trong đất.

+ Ưu điểm :

-Thép là loại vật liệu có cờng độ chịu lực rất cao vì vậy kết cấu có trọng lợng, kích thớc nhỏ, nhẹ.

-Khả năng cấu tạo và liên kết của thép là rất linh hoạt.

-Độ cứng của kết cấu lớn, diện cản sóng nhỏ, vì vậy tải trọng tác dụng lên công trình nhỏ.

-Có thể áp dụng đợc trong phần lớn các điều kiện địa chất.

-Thời gian thi công nhanh, đòi hỏi về bến bãi, phơng tiện thi công trên bờ ít.

+ Nhợc điểm :

- Thép là loại vật liệu đắt tiền.

- Phải duy tu bảo dỡng thờng xuyên để khắc phục hậu quả do hiện tợng ăn mòn và nứt

do mỏi.

- Thời gian thi công trên biển kéo dài và đòi hỏi nhiều thiết bị thi công biển chuyên dụng, rủi ro lớn.

+ Phạm vi áp dụng : Là loại công trình đợc sử dụng rộng rãi nhất, số lợng nhiều nhất, đã

đợc xây dựng trong các độ sâu nớc < 400 m.

Phần II: Nhiệm vụ thiết kế và các số liệu phục vụ thiết kế:

I mục tiêu của đồ án:

Đồ án nhằm mục đích tính toán thiết kế kết cấu chân đế công trình biển cố định bằng thép với nhiệm vụ khoan khai thác.

Yêu cầu : dạng kết cấu BK.

II.số liệu đầu vào:

II.1 Số liệu môi trờng:

Điều kiện khí tợng hải văn giả định đợc lấy theo trạng thái biển cực hạn (nguy hiểm nhất)

có chu kỳ lặp là 100 năm Vận tốc gió trung bình đo trong 3 s.

Nớc dâng tơng ứng với bão thiết kế d2 ( m) 0,87

Độ sâu nớc ( lấy theo cốt không hải đồ ) do (m) 75

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPBảng 4: Số liệu về hà bám Phạm vi hà bám tính từ mực nớc thấp nhất trở xuống Chiều dày hà bám (mm)

1 Mô tả lớp đất á cát dẻo mềm á cát dẻo chặt Sét nửa cứng

2 Độ sâu đáy lớp đất (Từ đáy

Thợng tầng có tổng tải trọng là 568 T

II.2.3 Số liệu về vật liệu:

Số liệu về quy cách thép ống (Đợc cho trong lấy theo quy cách thép ống theo API).

Cờng độ chịu nén hàn đối đầu Rhn = 2100 ( kG/cm2 )

Cờng độ chịu kéo hàn đối đầu Rkh = 2100 ( kG/cm2 )

Cờng độ chịu cắt hàn đối đầu Rch = 1800 ( kG/cm2 )

Cờng độ tính toán đờng hàn góc Rgh ( kG/cm2 ) = 2100 ( kG/cm2)

II.3 Xử lý các số liệu đầu vào:

II.3.1 Xỏc định cỏc mức nước tớnh toỏn:

+ Mực nớc triều cao: MNTC = d0 + d1 = 75 + 2,65 = 77,65 (m).

+ Mực nớc cao nhất : MNCN = d0 + d1 + d2 = 75 + 2,65 + 0,87 = 78.52 (m).

+ Mực nớc trung bình : MNTB = d0 + 0,5xd1 = 75 + 0,5x2,65 = 76,325 (m).

+ Mực nớc tính toán : MNTT = MNCN = 78,52 (m).

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

II.3.2 Chọn 2 hướng súng tỏc động lờn cụng trỡnh

+ Hớng 1 : - hớng có chiều cao sóng lớn nhất ở đây là hớng NE.

+ Hớng 2 : - là hớng còn lại ta chọn đợc chọn bất kỳ, thờng theo phơng đờng chéo chính, ta chọn hớng N.

II.3.3 Chiều cao công trình:

Chiều cao công trình (Từ đáy biển đến vị trí sàn không cho phép ngập nớc) đợc xác

định sao cho mặt dới của sàn công tác không bị ngập nớc, có kể đến một khoảng cách an toàn 0 (0 đợc gọi là độ tĩnh không của công trình).

HCT =MNCN+  H + 0 Trong đó :

H = Hmax = H1 = 16,4 m.

 = 0,7.

0  1,5 m, ở đây lấy 0 = 2 m.

HCT = 78,52 + 0,7x16,4 + 2 = 92 (m).

Phần III: XÂy dựng và lựa chọn phơng án:

Cơ sở căn cứ để có ý tởng lập phơng án là dựa vào bảng mẫu Catalog thiết kế của các hãng thiết kế ( 1999 Wolrdwide Survey of Minimal offshore Fixed Platforms and Decks for Marginal Fields), các dạng công trình thuyền thống đã có sẵn có, kiến thức các môn học liên ngành nh sức bền vật liệu, cơ học kết cấu Ngoài ra còn căn cứ vào độ sâu nớc nơi đặt công trình và quy mô thợng tầng.

I nguyên tắc xây dựng phơng án :

Đối với mỗi công trình, việc phân tích lựa chọn phơng án kết cấu:

+ Phải phù hợp với tính chất làm việc, chức năng của thợng tầng, yêu cầu sử dụng của công trình.

+ Phơng án phải phù hợp với số liệu môi trờng, khả năng tính toán thiết kế và tính khả thi của công trình.

Phơng án lựa chọn để thi công phải thỏa mãn hai yêu cầu:

+ Yêu cầu kĩ thuật:

- Đảm bảo độ bền, độ ổn định, tuổi thọ Dới tác dụng của tải trọng công nghệ và tải trọng môi trờng trong suốt đời sống công trình.

- Đảm bảo chiều cao sóng thiết kế không chạm sàn công tác.

+ Yêu cầu về kinh tế: Cần có biện pháp giảm giá thành hợp lý, cụ thể là:

- Giảm chi phí về vật liệu, tận dụng vật liệu có sẵn.

- Giảm thời gian thi công, đặc biệt là thi công trên biển.

- Tận dụng các trang thiết bị, phơng tiện thi công sẵn có, hạn chế tối đa việc mua, thuê Mục tiêu của phơng án lựa chọn là:

+ Giảm thiểu giá thành xây dựng bằng cách giảm khối lợng vật liệu

+ Giảm thời gian thi công

+ Có thể thi công với những thiết bị sẵn có

+ Giảm thiểu chi phí vận hành

+ Dễ dàng tháo dỡ

+ Có khả năng tái sử dụng

II lựa chọn dạng kết cấu:

Có nhiều dạng đỡ thợng tầng : Dạng Diafragm hình tam giác, Dia fragm hình chữ nhất, dia fragm hình vuông.

Do thợng tầng có dạng hớng về 1 phía nên em đề xuất phơng án dạng Diafragm hình chữ nhật, 1 panel thẳng.

Với thợng tầng là trạm có chức năng khoan khai thác, có tổng tải trọng 568 T, có thể sử dụng các dạng dàn tối thiểu Độ sâu nớc nơi đặt công trình là 75 m, ( nh dàn nhẹ khung 4 ống chính TP60) với độ sâu nớc thiết kế 50’300’ (15 m 92 m).

Xác định kích thớc sàn chịu lực:

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

- Kích thớc sàn chịu lực phải đảm bảo độ cứng của chân đế, đảm bảo khả năng đỡ thợng tầng.

- Kích thớc càng nhỏ càng tốt, tuy nhiên phải đủ lớn để đỡ các hệ thống công nghệ

- Theo kinh nghiệm, kích thớc sàn đợc chọn sao cho nhịp công xôn từ 68 m.

- Với kích thớc sàn công tác là 12x30 m, kích thớc sàn chịu lực là 12x23 m, em đề xuất phơng án chọn kích thớc đỉnh chân đế là 12x18 m.

III.đề xuất phơng án kết cấu chân đế :

Để xây dựng đợc dạng kết cấu, ta cần :

+ Đa ra đợc phơng án kết cấu cho :

- Hệ ống chính – cọc, hoặc ống chính cọc phụ (đờng kính, chiều dày, vật liệu)

- Các kích thớc cơ bản: chiều cao công trình, chiều cao phân đoạn, bề rộng phân đoạn

- Phơng án kết cấu thanh xiên

Diafragm So với đáy biển (m)

2.Xỏc định cỏc kớch thước theo API:

a Xác định sơ bộ kích thớc các thanh ngang và thanh xiên :

-Các thanh đợc thiết kế sao cho đủ bền và độ ổn định khi chịu tải trọng cực hạn Đối với kết cấu thép thì yêu cầu về độ ổn định thờng là cao hơn yêu cầu về độ bền Vì vậy khi ta chọn sơ bộ thanh ngoài dựa vào kinh nghiệm của các công trình tơng tự ngời ta thờng lựa chọn theo độ manh của thanh.

- Với các thanh ngang và thanh xiên, ta phân loại thanh từng nhóm, với mỗi nhóm ta chọn theo thanh có chiều dài lớn nhất (độ mảnh lớn nhất) Độ mảnh hợp lý của thanh ngang và thanh xiên từ 60-80.

Chọn sơ bộ kích thớc thanh ngang và thanh xiên nh sau :

ớc, sau đó xác định kích thớc của thanh xiên và thanh ngang, chọn thỏa mãn điều kiện về

độ mảnh của thanh: với ống chính thỏa mãn độ mảnh < 110; với ống ngang và ống xiên chọn độ mảnh hợp lý khoảng 60- 80 Em nhận thấy rằng: cọc đợc lồng vào trong ống chính nên kích thớc ống chíng cũng ảnh hởng đến kích thớc ống chính Trong đồ án chọn D-

ống=Dcọc+ (50*2+2) (mm) Ta chọn Dcọc =1219x25.4 mm

2 Phơng pháp tính sơ bộ sức chịu tải của cọc

Tính sơ bộ sức chịu tải của cọc với tải trọng tác dụng lên đầu cọc bằng tổng trọng lợng của thợng tầng cộng với tổng trọng lợng của khối chân đế (có kể đến khối lợng của hà bám, nớc kèm) ớc tính vào khoảng G= 2908 tấn, lấy G chia đều cho 4 ra đợc lực đầu cọc của một cọc.

Tính toán sức chịu tải của cọc chia cho hệ số an toàn ở đây ta chọn là 1,5;

Sức chịu tải của cọc với sức chịu tải dọc trục của cọc theo đất nền, ( tiêu chuẩn API) Do tải trọng nhỏ nên khả năng chịu lực của vật liệu thép là thoả mãn.

Kết quả tính sơ bộ sức chịu tải của cọc cho thấy với cọc có Dcọc=1,219 m, tcọc= 0,0254 m thì chỉ cần đóng sâu 32 m là thỏa mãn điều kiện chịu tải của nền Do đặc điểm địa chất đáy biển: Lớp đất đầu tiên là lớp đất á cát dẻo mềm h1= 3 m, lớp đất thứ hai là lớp á cát dẻo chặt

h2 = 25 m, lớp đất thứ ba là lớp đất sét nửa cứng Vì vậy cọc đặt trên lớp thứ 3 (chiều sâu chôn cọc tối thiểu là 32 m).

III.2 Kiểm tra độ mảnh của các phần tử:

Việc chọn các thanh phải đảm bảo đợc ổn định cục bộ và ổn định tổng thể dới điều kiện môi trờng khai thác và điều kiện môi trờng cực trị Đối với các phần tử kết cấu dạng ống, chọn theo độ mảnh cho phép, theo số liệu của đề đồ án thì độ mảnh của các thanh không đ-

ợc phép vợt quá giá trị [  ]=110 Ngoài ra khi tính toán độ mảnh của các thanh có kể đến

hệ số điều chỉnh chiều dài thanh đợc lấy nh sau:

k = 1.0 đối với thanh ống chính

k = 0.8 đối với thanh ống chéo và ống ngang chính

k = 0.7 đối với ống ngang phụ

Công thức tính độ mảnh  nh sau:

 = k.l/r Trong đó:

k : hệ số quy đổi chiều dài: k  1, đã nêu ở trên.

l : chiều dài của phần tử, đợc xác định bằng khoảng cách giữa hai tâm nút.

r : bán kính quán tính tiết diện phần tử.

Từ sơ đồ hình học của khối chân đế đã chọn ta tìm ra đợc chiều dài lớn nhất ứng với mỗi loại tiết diện thanh Lấy chiều dài đó tính toán kiểm tra độ mảnh của các thanh với các lựa chọn kích thớc tiết diện thanh qua bảng thể hiện ở phục lục

Kết quả tính toán và kiểm tra cho thấy thanh tất cả các thanh đều thỏa mãn điều kiện độ mảnh và sử dụng kích thớc tiết diện đó để tính toán kết cấu công trình.

660X17.5 660X17.5 0.66 0.0175 18.0000 0.0353 0.0019 0.2293 78.4844 37.7143 tm 711X17.5 711X17.5 0.711 0.0175 8.2500 0.0381 0.0023 0.2475 33.3284 40.6286 tm 711X20.6 711X20.6 0.711 0.0206 22.6356 0.0447 0.0027 0.2465 91.8424 34.5146 tm 762X17.5 762X17.5 0.762 0.0175 12.2626 0.0409 0.0029 0.2657 46.1470 43.5429 tm 762X20.6 762X20.6 0.762 0.0206 29.6072 0.0480 0.0034 0.2647 78.3105 36.9903 tm 813X17.5 813X17.5 0.813 0.0175 11.3344 0.0437 0.0035 0.2839 27.9445 46.4571 tm 813X20.6 813X20.6 0.813 0.0206 31.0895 0.0513 0.0041 0.2828 76.9423 39.4660 tm

OC OC 1.422 0.0254 22.1946 0.1114 0.0277 0.4984 31.1707 55.9843 tm COC COC 1.219 0.0254 22.1946 0.0952 0.0173 0.4260 36.4698 47.9921 tm

III.3 Xác định hớng đặt công trình:

Hớng đặt công trình phụ thuộc vào một số yếu tố sau:

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP+ Hớng tải trọng môi trờng cực hạn.

Do đó ta sẽ chọn hớng đặt công trình nh hình vẽ: Hớng Đông-Bắc (hớng sóng chính), sẽ

đi qua trục đối xứng của công trình, nh thế với tải trọng môi trờng cực đại thì sự chịu lực của 4 ống chính sẽ đồng đều hơn (thờng 2 ống phía sau chịu nén, 2 ống phía trớc chịu nhổ (sơ đồ và quy ớc hệ trục toạ độ nh hình vẽ)

h ớng công trình

Với kích thớc các thanh và ống chính đợc chọn nh trên, ta tính đợc khối lợng của khối chân

đế (bao gồm cả khối lợng nớc trong cọc, bơm trám, khối lợng cọc), khối lợng của nớc kèm,

hà bám(công thức tính đợc trình bày chi tiết ở phần sau)

Tính toán dao động riêng của phơng án: Sử dụng phần mềm Sap 2000 tính dao động riêng của công trình Quy các khối lợng về các nút của công trình, mô hình liên kết giữa cọc và ống chính đợc thay bằng mô hình thanh tơng đơng về độ cứng chống uốn và độ cứng chống kéo nén dọc trục (phần tính toán chi tiết đợc trình bày sau).

Phần IV tính toán nội lực và biến dạng.

I phơng pháp tính toán kết cấu chân đế:

+ Để xác định các phản ứng của tổng thể công trình của các thành phần, phần tử kết cấu phải sử dụng đến phơng pháp số, cùng với sự hỗ trợ của các phơng tiện tính toán; trong đó phơng pháp phần tử hữu hạn đợc sử dụng hầu hết các bài toán kết cấu, bài toán tĩnh, bài toán động, các bài toán tuyến tính và phi tuyến, nó cũng giải quyết nhiều mối tơng tác giữa kết cấu và môi trờng kết cấu.

- Tải trọng tác động đợc đa vào nút hoặc phân bố trên phần tử.

- Khối lợng: trong bài toán xác định dao động kết cấu, khối lợng các phần kết cấu đợc tâp trung về nút hoặc phân bố tập tại các phần tử.

Phơng trình chuyển động của hệ (DKBCĐ), sau khi đã thực hiện rời rạc hóa sơ đồ kết cấu (qui khối lợng về nút theo phơng pháp phần tử hữu hạn), có dạng dao động tổng quát của hệ nhiều bậc tự do :

M U C U.KU F(t) ( * )

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPTrong đó

M: Ma trận khối lợng kết cấu (đã qui về nút) có kể đến khối lợng nớc kèm

C: Ma trận các hệ số cản

K: Ma trận độ cứng kết cấu

U: Véc tơ chuyển vị của kết cấu (tại các nút)

F(t): Véc tơ tải trọng sóng

Để giải bài toán tựa tĩnh kết cấu chân đế công trình biển, ta giải phơng trình K.U=F

các phơng pháp để giả hệ phơng trình trên nh phơng pháp Gauss, phơng pháp Cholesky Còn đối với bài toán động để giải hệ phơng trình cân bằng động tổng quát (*) ta có các ph-

ơng pháp nh phơng pháp chồng Mode, phơng pháp tích phân trong miền tần số, phơng pháp tích phân theo bớc thời gian.

II.Tính toán dao động riêng.

II.1 Mô hình hóa kết cấu chân đế:

- Mô hình tính theo sơ đồ khung không gian, các nút đợc coi là liên kết cứng, tại vị trí khung liên kết với nền đất ta sử dụng liên kết ngàm với ngàm giả định Vị trí của ngàm tính toán đợc xác định tùy thuộc vào tính chất của đất nền và đờng kính của cọc lồng trong ống chính Đây là phơng pháp ngàm giả định.

II.2 Mô hình hóa sự làm việc của cọc và đất nền:

Bài toán dao động riêng là trờng hợp riêng của bài toán ĐLH khi F(t)= 0.

Sơ đồ tính của hệ đợc mô tả dới dạng khung không gian, nút liên kết cứng, liên kết giữa

hệ kết cấu bên trên và môi trờng xung quanh (đất) đợc coi là ngàm Do đất không phải là tuyệt đối cứng, vị trí đợc coi là ngàm đợc chuyển xuống vị trí mà chuyển vị hầu nh bằng không và độ sâu này đợc coi là độ sâu ngàm giả định Để xác định chính xác vị trí này ta phải tính lặp, nhng trên thực tế khi thiết kế, độ sâu ngàm  đợc lấy theo kinh nghiệm dựa trên tính chất cơ lý của nền đất, tiết diện cọc và vật liệu làm cọc, mô men, lực cắt.

+ Theo quy phạm phơng Tây:

- Với đất sét:  = (3,5  4,5)DC

- Với đất bùn, phù sa:  = (7  8,5)DC

Trờng hợp không có số hiệu về địa chất công trình thì lấy  = 6DC

D là đờng kính ngoài của cọc: D = 1,219 ( mm).

0 = 5 x 1,219 = 6.01( m ) Ta lấy 0 = 6 (m)

II.3 Giải bài toán dao động riêng:

Sử dụng phần mềm Sap 2000.

+ Tính toán thanh tơng đơng :

Cần phải quy đổi về thanh tơng đơng từ ống chính+cọc+vữa bơm trám Thanh tơng đơng

sẽ có đờng kính ngoài bằng đờng kính của ống chính, độ cứng bằng độ cứng ống chính nh vậy ta cần phải tìm đợc chiều dày t và tđ của thanh tơng đơng, việc tính toán đợc thực hiện

nh sau : (bỏ qua độ cứng của bơm trám)

+ống tơng đơng và ống ban đầu phải tơng đơng nhau về độ cứng chống uốn

Với đờng kính ngoài và trong của ống chính nh sau:

Loại ống Đờng kính ngoài(D) Đờng kính trong(d)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Với Dtđ=DOC=1422 mm ta tính đợc:

Atđ= 0,3499 (m2); ttđ = 0,0832 (m).

Jtđ = 0,0748 (m4); Etđ = 1,24x107 ( T/m2 )

1 2 2

1

td td

P/4 = 568/4 = 142 (t)

2 Xác định khối lợng bản thân kết cấu quy đổi:

Khối lợng bản thân của một thanh là :

mbt(i) =s As Li

Trong đó:

+ s - Trọng lợng riêng của vật liệu làm thanh kết cấu, với vật liệu thép s

= 7,850 T/m3 + Asi - diện tích tiết diện của thanh thứ i (m2)

Với Asi = [.( Di2 -(Di - 2.i)2)]/4

Với Di , i : đờng kính ngoài và bề dầy của thanh thứ i.

+ Lij - chiều dài thanh thứ i ( m )

3 Xác định khối lợng hà bám tại thanh:

Xác định khối lợng hà bám của thanh tính từ MNTB xuống đáy biển.

Để đơn giản ta giả thiết tính hà bám theo cách tính trung bình: Chiều dày hà bám tại cao

độ của đầu i là t1, tại đầu j là t2 Chiều dày hà bám trung bình là t = 0,5(t1+t2)

+ Khối lợng hà bám tại thanh thứ i là :

mh (i) = h.Ahi.Li

h – khối lợng riêng của hà bám (h = 1,600 T/m3).

Ahi –Diện tích hà bám ở một mặt cắt ngang thanh

Khối lợng hà bám quy về 2 nút với giả thiết khối kợng hà bám phân bố đều trên chiều dài thanh Kết quả tính toán chi tiết ở phần phụ lục (Bảng 2, trang 85).

4 Xỏc định khối lượng nước kốm của cỏc thanh ngập nước:

Xác định khối lợng nớc kèm tính từ MNTB xuống đáy biển.

Khối lợng nớc kèm quy đổi tại nút thứ i là:

Kết quả tính toán chi tiết đợc trình bày ở phần phụ lục (Bảng 3, trang 89).

5.Khối lượng nước trong ống:

Tính khối lợng nớc trong ống với MNTB.

Ta chỉ tính khối lợng nớc trong ống đối với các ống chính.

+ i – Chiều dày cọc

6 Khối lợng vữa trám:

Vữa trám là lớp vữa liên kết giữa cọc và ống chính, khối lợng vữa trám đợc tính theo công thức :

mv(i) = v[.((D0 - 2.0)2)- D2

cọc ))/4].Li

Trong đó :

v - Khối lợng riêng của vữa bơm trám (v= 1800 kg/m3)

D0,0 - Đờng kính ngoài, chiều dày ống chính.

Dcọc : Đờng kính cọc

Li : Chiều dài thanh i.

Kết quả tính toán ở phần phụ lục (Bảng 4, trang 92).

II.3.2 Tính dao động riêng:

Với sơ đồ kết cấu và tiết diện các thanh đã chọn, sau khi tính đợc khối lợng thợng tầng, khối lợng vữa bơm trám, khối lợng nứơc kèm, hà bám, nớc trong cọc ta tiến hành quy đổi khối lợng về nút và nhập vào SAP để tính DĐR

Kết quả tính DĐR nh sau :

động của các tác động đợc xét qua hệ số động (kđ) :

21

1

2 2

t

o d u

u k

14,3.2

s Rad



0,439384 /

3,14

14,3.2

s Rad

,2

439384,

0.08.0.2805

,2

439384,

01

1

2 2

u k

III Xác định tải trọng tác động lên công trình

III.1.Tải trọng thợng tầng:

Tổng cộng tất cả các tải trọng đứng của phần thợng tầng có giá trị là P, tải trọng P đợc phân cho 4 nút tại 4 đỉnh của khung sàn chịu lực với giá trị P/4, ph ơng tác dụng hớng xuống, tải trọng này tác dụng lên công trình là tải trọng tĩnh:

P/4 = 568 / 4 = 142 T

III.2.Xác định tải trọng đẩy nổi:

Công thức xác định tải trọng đẩy nổi:

Fđn = 

i

nn i

D

A  với Di là đờng kính ngoài của phần tử thứ i có kể đến hà bám Đối với ống chính có nớc trong ống, A là diện tích mặt cắt ngang.

li: Chiều dài phần tử thứ i.

nn = 1.025 (T/m3), Trọng lợng riêng đẩy nổi

Tải trọng đẩy nổi đợc khai báo trong SAP 2000 Vào mục Include Bouyant Loads:

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

III.3.Xác định tải trọng gió:

Tải trọng gió đợc tính toán theo tiêu chuẩn API [Recommended Practice for Planning, Designing and Contructing Fixed Offshore PlatformsWorking Stress Design], theo 2 hớng tơng ứng với 2 hớng sóng đã chọn:

Hớng 1: Đông Bắc

Hớng 2: Bắc.

Tính tải trọng do gió tác dụng lên phần công trình nằm phía trên mực nớc tĩnh SWL Bản chất của tải trọng gió là động, nhng qua thực nghiệm cho thấy rằng tải trọng gió chỉ chiếm khoảng  10% tổng tải trọng môi trờng tác dụng lên công trình nên ở đây ta coi trong tính toán tải trọng gió là tĩnh.

* Công thức xác định tải trọng gió theo API:

0473

Trong đó:

F: là lực gió tác dụng lên kết cấu (N).

Vz: Vận tốc gió trung bình đo trong 1 giờ tại độ cao z so với mực nớc

tĩnh (km/h).

10

1 10

n z

Z V

n : Lấy từ 7 đến 13, ở đây lấy 1/n = 0.15.

A: Hình chiếu diện tích của vật cản lên phơng vuông góc hớng gió (m2).

, : Hệ số luỹ thừa, hệ số giật của gió ở độ cao 10 m.

Trong đồ án cho vận tốc gió trung bình đo ở 3s nên

 = 0,1.

 = 1,33.

Cs : Hệ số khí động (xác định theo qui phạm).

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPKết cấu dầm, nhà tờng đặc 1,5

Vận tốc gió nhập: -Gió N: 33.61; -Gió NE: 43.16;

Kết quả chi tiết trong bảng 6,trang 97, phần phụ lục.

III.4.Xác định tải trọng sóng và dòng chảy:

III.4.1 Cơ sở lý thuyết:

Tác động của dòng chảy lên công trình đợc biểu diễn bởi yếu tố vận tốc Vận tốc dòng chảy, trong thực tế tính toán đợc xem là một đại lợng không thay đổi theo thời gian Vì vậy khi chỉ có tác động của dòng chảy (không kể sóng) thì tải trọng do dòng chảy gây ra đợc coi là tải trọng tĩnh Khi tính đồng thời tác động của sóng và dòng chảy, thì ảnh h ởng của dòng chảy đợc bổ sung vào thành phần vận tốc của tải trọng sóng Vì thành phần tải trọng

do vận tốc gây ra có chứa bình phơng vận tốc, nên sự tham gia của dòng chảy làm tăng

Công trình biển cố định bằng thép kết cấu kiểu Jacket là công trình có kích thớc nhỏ (xét

tỉ số D / L < 0,2), tải trọng của sóng và dòng chảy tác động lên công trình mà cụ thể là các thanh đợc tính toán theo công thức Morison dạng chuẩn tắc.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Để tổng quát cho thuật toán ta xét một thanh xiên bất kì trong hệ tọa độ xyz nh sau:

Từ hình vẽ trên xác định đợc các cosin chỉ phơng của thanh trong hệ tọa độ nh sau:

L

x x

cx  sin  cos   2 1

L

y y

cy  sin  sin   2 1

L

z z

cz  cos   2 1

Trong đó: L – chiều dài thanh đợc tính nh sau:

1 2

2 1 2

2 1

x

Giả sử hớng lan truyền sóng trùng với trục x, chuyển động của nớc có liên quan đến sóng

và dòng chảy đợc đặc trng bởi các thành phần vận tốc, gia tốc theo phơng ngang (vx,ax), (vy,ay) và theo phơng đứng (vz,az) Tức là thành phần vectơ vận tốc và gia tốc của chuyển

động nớc tại một điểm là :

z y

x v v v

aax ayaz

Phân tính v và a theo các thành phần pháp tuyến và tiếp tuyến so với trục của thanh, ta có:



v v

vn  .



a a

z z y y x x z y x

n v v v c v c v c v

x x

nx v c c v c v c v

y y

ny c c c v c v c v

z z

n a a a c a c a c a

x x

nx a c c a c a c a

y y

ny a c c a c a c a

z z

nz a c c a c a c a

Đến đây là đủ các đại lợng để sử dụng công thức Morison tính tải trọng phân bố tác dụng lên thanh xiên trên, công thức xác định nh sau:

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

nx i nx

n d

n d

n d

III.4.1 Trình tự tính toán tải trọng sóng:

Xét trờng hợp tổng quát hớng sóng lệch với hớng trục X công trình một góc nào đó, ớng dòng chảy cũng lệch so với hớng sóng, để áp dụng đợc công thức Morison ta tiến hành

h-nh sau:

 Tiến hành xoay trục tọa độ OXY của công trình sao cho OX trùng với trục của hớng sóng Nghĩa là ta tiến hành chuyển trục tọa độ OXY thành hệ tọa độ oxy nh hình vẽ trên Công thức chuyển trục là:

x=x’.cosα+ y’.sinα; y= -x’.sinα+ y’cosα;z= z’

Lại có: x’=X; y’= Y; Z’ = Z-d.

Suy ra: x=X.cosα + Y.sinα; y= -X.sinα+ Y.cos α; z =Z-d

+ Nh vậy ta chọn đợc hệ tọa độ xoz nh trên (trục x hớng theo phía lan truyền sóng, trục

z hớng thẳng đứng từ dới lên; gốc tọa độ đặt trên mặt nớc).

 Thực hiện tuyến tính hóa hệ phơng trình động lực học sóng (bỏ qua các số hạng phi tuyến và các vô cùng bé bậc cao), sau một số phép biến đổi ta xác định đ ợc biên độ của mặt sóng so với mực nớc tĩnh (S.W.L) biểu diễn dới dạng:

)(

nkd sh

kz ch G

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ax = k C 1n R n

2

.2 .sin(x,t) = nkx-  t) = )).

az = k C 1n S n

2

.2 .có (x,t) = nkx-  t) = )).

 Tổng hợp vận tốc sóng, dòng chảy:

+ Tiến hành chiếu vận tốc dòng chảy theo các phơng ox và oy của hệ trục tọa độ mới oxy.

+ Thành phần vận tốc tổng hợp sóng và dòng chảy xác định theo công thức cộng vận tốc, chiếu :

s v dc v

v  .

s a dc a

a  Theo ba phơng x, y, z ta đợc ba thành phần vận tốc tổng hợp nh sau:

Vận tốc: Vx = Vdcx+ Vsx;

Vy = Vdcy;

Vz = Vsz Gia tốc: ax = asx;

ay = asy= 0;

az = asz Chú ý: dòng chảy giả thiết đều nên adc = 0

 áp dụng phơng trình Morison tính tải trọng sóng (Phơng trình đã nêu ở phần lý thuyết tính toán).

 Tiến hành xoay lại hệ trục tọa độ :

FX=Fx.cosα - Fy.sinα; FY= Fx.sinα+ Fycosα; FZ= Fz

III.4.2 Thời điểm tính toán sóng:

Chia sóng thành n thời điểm khác nhau để tính toán t= i.T/n.

Để xác định đợc thời điểm nào tải trọng sóng tác dụng vào công trình là lớn nhất ta vẽ Pro fil của sóng.

Pro fil của sóng Stockes bậc 5 có dạng

η(x,t)=7.0735*Cosθ+1.7699*Cos(2θ)+0.4837*Cos(3θ)+0.1308*Cos(4θ)Cosθ+1.7699*Cosθ+1.7699*Cos(2θ)+0.4837*Cos(3θ)+0.1308*Cos(4θ)Cos(2θ)+0.4837*Cosθ+1.7699*Cos(2θ)+0.4837*Cos(3θ)+0.1308*Cos(4θ)Cos(3θ)+0.1308*Cosθ+1.7699*Cos(2θ)+0.4837*Cos(3θ)+0.1308*Cos(4θ)Cos(4θ)

+0.0428*Cosθ+1.7699*Cos(2θ)+0.4837*Cos(3θ)+0.1308*Cos(4θ)Cos(5θ).với θ=0.0236*Cosθ+1.7699*Cos(2θ)+0.4837*Cos(3θ)+0.1308*Cos(4θ)x-0.4394*Cosθ+1.7699*Cos(2θ)+0.4837*Cos(3θ)+0.1308*Cos(4θ)t

Max (η) = 9.50066m khi θ=0 Z max = 52.80066m

Min (η) = -5.69935m khi θ=pi Z min = 37.60065m

Max (η) + ABS(Min (η)) = 15.20000m

III.4.3 Kết quả tính tải trọng sóng, dòng chảy:

Dựa vào dữ liệu khí tợng hải văn vùng Bạch Hổ ta tính toán với hai hớng sóng là Đông

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trong c¸c môc nµy ta khai b¸o nh sau :

Wave Characteristic (tªn sãng) : song

Storm Water Depth (níc d©ng do b·o) : 78.52

Wave Height (chiÒu cao sãng) : 16.4

Wave period (chu k× sãng) : 14.3

Chän : Stokes Wave theory (lÝ thuyÕt sãng)

Current (tªn dßng ch¶y) : dongchay

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Marrine Growth Name (tên hà bám) : habam

Number of wave Crest positions considered (số đỉnh sóng cần xét) : 20

Vertical reference Elevation -> Global Z Coordinete (cao độ Z tổng thể) : 0

Other Vertical (cao độ khác) :

Mudline from datum (cao độ đáy biển so với cao độ mốc) : 0

High Tide from datum (cao độ mực nớc triều so với cao độ mốc) : 77.65

Wave ditection (Góc sóng so với trục tọa độ) : 180

Trong cùng một thời điểm, công trình có thể chịu nhóm các tổ hợp tải trọng khác nhau tác dụng lên nó, điều này phụ thuộc vào từng loại tải trọng trong nhóm, từng loại tải trọng dựa vào các khả năng xẩy ra đồng thời hay không đồng thời của các tải trọng Dựa trên đánh giá độ tin cậy, ngời ta đa ra các tổ hợp tải trọng Đồ án láy tất cả các hệ số tổ hợp

III.5 Tính toán nội lực và chuyển vị kết cấu:

Sau khi đã lựa chọn đợc phơng án thiết kế, xác định đợc tải trọng tác dụng lên công trình, tiến hành xác định nội lực trong các phần tử của hệ kết cấu bằng phần mềm SAP2000.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP+ Bảng kết quả chuyển vị : tổ hợp 1 và tổ hợp 2

TABLE: Joint Displacements

Suy ra chuyển vị lớn nhất : Umax = -0,01156 m = 1,156 cm.

III.6 Nhận xét kết quả tính :

+ Kết quả thu đợc ở đây có độ chính xác không cao do khi tính toán ta đã mô hình hoá sơ đồ tính dới dạng khung không gian, nút liên kết cứng, liên kết giữa hệ kết cấu bên

+ Việc qui tải trọng thợng tầng về tải trọng tập trung ở đỉnh KCĐ đã bỏ qua sự lệch tâm.

+ Việc mô phỏng các loại tải trọng tác dụng lên công trình chỉ ở mức độ gần đúng + Chuyển vị là tơng đối nhỏ, thỏa mãn tiêu chuẩn cho phép (chuyển vị cho phép là 0,5

%Hct =0,5*92/100=0,46 m = 46 cm )

Phần VI: Kiểm tra cấu kiện:

Việc kiểm tra các phần tử kết cấu đợc thực hiện dựa trên tiêu chuẩn thiết kế API Về nguyên tắc cần kiểm tra toàn bộ các phần tử của hệ, nhng trong phạm vi đồ án này ta chỉ tiến hành kiểm tra cho một số phần tử Việc kiểm tra đợc thực hiện trên các phần tử kết cấu

có nội lực lớn nhất trong số các phần tử có cùng dạng liên kết, cùng tiết diện và điều kiện làm việc Hơn nữa việc kiểm tra đợc thực hiện trên tiết diện nguy hiểm nhất.

I Kiểm tra phần tử thanh:

I.1 Xác định các thành phần nội lực trong và ngoài mặt phẳng:

Tiết diện của các phần tử đợc chọn trong đồ án đều có D/t  60 nên chỉ kiểm tra bền và ổn

định tổng thể của các phần tử.

I.2 Điều chỉnh giá trị nội lực do lệch tâm :

Trong phạm vi đồ án, nội lực tính toán có thể lớn hay nhỏ hơn thực tế tuỳ thuộc vị trí thanh đó trong thực tế so với khi miêu tả trong tính toán kết cấu, do đó phải có sự điều chỉnh nội lực (Nhng ở đây do số lợng các thanh lớn, sự điều chỉnh lại không thể theo quy luật nhất định (Và theo kết quả kiểm tra sau này đa số các thanh đều ở mức an toàn cao)),

do đó trong phần kiểm tra thanh xin đợc bỏ qua sự điều chỉnh nội lực (Trong phần kiểm tra nút sẽ có sự điều chỉnh cụ thể), ở đây lấy hệ số điều chỉnh bằng 1.

II Kiểm tra khả năng chịu lực:

) / ( 8

) / ( 3 3 5

2

) / ( 1

3 3 2

2

c C

y C

C

r l k C

r kl

F C

r kl

12

r kl

E



với kl/r >= Cc (3.2.2-2) Trong đó:

Cc =

y F

E

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

k : Là hệ số điểu chỉnh chiều dài của thanh

r : Bán kính quán tính của tiết diện thanh (m).

l : Chiều dài thanh (m).

Fy: Giới hạn chảy của vật liệu (MPa).

II.2 Phần tử chịu uốn :

ứng suất do uốn cho phép Fb đợc xác định theo công thức:

Fb = 0.75Fy với

y F t

 (MPa) (3.2.3-1a)

y F t E

D F

.74.184

20680

(3.2.3-1b)

y F t E

D F

.58.072

D : Đờng kính ngoài của thanh (m)

t : Chiều dày của thanh (m)

0 (Mpa)

A : Là diện tích mặt cắt (m2)

V : lực cắt

II.4 Phần tử chịu xoắn:

ứng cho phép chịu cắt : Fvt= 0.4.Fy.

ứng suất do mômen xoẵn Mt :  

p

t

D M

f  /2 (Mpa)