thiết kế môn học công trình biển cố định

Có thể có nhiều cách phân loại công trình biển như công trình ven bờ và công trình xa bờ; công trình biển cố định và công trình biển di động, hoặc theo tính năng của công trình như công

Mục lục

Mục lục 1

Chương 1 : 3

1.1 Giới thiệu chung về công trình biển cố định 3

1.2 Số liệu xuất phát 3

1.3 Nhiệm vụ thiết kế môn học 4

1.3.1 Thuyết minh 4

1.3.2 Bản vẽ 4

Chương 2 : 5

2.1 Các kích thước chính của công trình 5

2.1.1 Cao độ sàn công tác 5

2.1.2 Kích thước chính của công trình 6

2.1.3 Kích thước trụ 6

2.1.4 Sườn gia cường 6

2.2 Kiểm tra điều kiện tự nổi của chân đế móng 8

2.2.1 Thể tích các bộ phận đế móng 8

2.2.2 Thể tích chiếm nước của đế móng 8

2.2.3 Thể tích nổi 8

Chương 3 : 10

3.1 Tải trọng sóng (theo lý thuyết sóng Airy) và dòng chảy 10

3.1.1 Các phương trình sóng 10

3.1.2 Các thông số về sóng 11

3.1.3 Tính tải trọng của sóng 11

3.1.4 Tải trọng do dòng chảy 12

3.1.5 Tải trọng do sóng và dòng chảy 13

3.2 Tải trọng gió 15

3.3 Tải trọng bản thân công trình 18

Chương 4 : 20

4.1 Kiểm tra điều kiện ổn định 20

4.1.1 ổn định lật 20

4.1.2 ổn định trượt phẳng 20

4.2 Kiểm tra điều kiện chịu lực của đất nền 20

4.2.1 Nội lực tại đáy móng 20

4.2.2 Đặc trưng hình học tiết diện 21

4.2.3 ứng suất dưới đáy móng 21

4.2.4 Kiểm tra cường độ đất nền 22

4.3 Tính toán lún đáy móng 23

Chương 5 : 25

5.1 Tính toán cốt thép trụ 25

5.1.1 Đặc trưng tiết diện hình học của trụ 25

5.1.2 Tính toán cốt thép Ứng suất trước 25

5.1.3 Hao tổn ứng suất trong cốt thép Ứng suất trước 27

5.1.4 Kiểm tra ứng suất 30

5.2 Tính toán cốt thép đế móng 34

5.2.1 Tính toán cốt thép bản nắp 34

5.2.2 Tính toán bản đáy 36

5.2.3 Tính toán bản thành 39

5.2.4 Tính toán cốt thép bản sườn 41

5.3 Thống kê cốt thép 41

Chương 1 :

Giới thiệu về công trình biển cố định,

số liệu xuất phát và nhiệm vụ thiết kế.

1.1 Giới thiệu chung về công trình biển cố định.

Biển và đại dương chiếm tỷ lệ 7/10 diện tích Trái Đất,các nhu cầu của con người trên biển ngày càng tăng vì vậy đòi hỏi phải xây dựng các công trình trên biển nhằm đáp ứng những mục tiêu cơ bản như thăm dò, khai thác dầu khí, các nhu cầu đi lại, ăn ở ngoài biển và các hoạt động khác như du lịch, nghiên cứu khoa học

Có thể có nhiều cách phân loại công trình biển như công trình ven bờ và công trình

xa bờ; công trình biển cố định và công trình biển di động, hoặc theo tính năng của công trình như công trình khai thác dầu khí, công trình bảo đảm an toàn hàng hải và các trạm nghiên cứu

Quá trình phát triển của các loại công trình biển cố định liên quan chặt chẽ với sự phát triển của nghành dầu khí ở những mỏ khí đốt ở thềm lục địa, với độ sâu khai thác nhỏ hơn 400m, xu thế hiện nay là phát triển các công trình biển trọng lực bằng bêtông Công trình biển trọng lực bằng bêtông ổn định chủ yếu là nhờ vào trọng lượng bản thân công trình do đó công trình có kích thước rất lớn và ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như sự xâm thực của nước biển, chịu tải trọng sóng, gió tốt đồng thời giảm đáng kể chi phí cho duy tu, bảo dưỡng trong quá trình làm việc bình thường của công trình Ngoài

ra do tuổi thọ công trình cao (75-100 năm) trong khi thời gian khai thác các mỏ thường chỉ kéo dài từ 20-25 năm nên có thể sử dụng công trình nhiều lần để khai thác dầu khí ở những vị trí khác hay là sử dụng cho những mục đích khác khi công trình không còn khai thác dầu khí Các ụ nổi sử dụng khi đúc các khối công trình có thể sử dụng để đóng mới

và sửa chữa các con tàu lớn mà điều kiện hạ thủy của chúng rất khó khăn

Thiết kế môn học không đi sâu vào chi tiết quá trình làm việc và các cấu tạo đặc trưng của công trình phục vụ cho quá trình khai thác và sản xuất mà chỉ xét đến khả năng

ổn định và kết cấu công trình mang tính đặc thù cho dạng công trình biển trọng lực bằng bêtông

10 Vận tốc dòng chảy đáy d

dc

- Xác định tải trọng tác động lên công trình;

- Tính toán bê tông cốt thép cột, đế móng (chú ý biện phám thi công thép ứng suất trước);

- Lập dự án;

- Tính toán nền móng công trình

1.3.2 Bản vẽ

Bản vẽ trên giấy A1 gồm:

- Sơ đồ tải trọng sóng, gió, dòng chảy tác động lên công trình;

- Thể hiện kết cấu công trình: Cột, đế móng, bảng thống kê;

- Thống kê khối lượng

Chương 2 :

Sơ bộ lựa chọn kích thước của công trình

2.1 Các kích thước chính của công trình.

Công trình biển trọng lực bêtông có kết cấu móng nông, trọng lượng chi phối chủ yếu do đế móng, như vậy trọng tâm công trình sẽ hạ thấp và tăng độ ổn định cho công trình khi làm việc với những tải trọng tác động có trị số lớn và tính bất thường cao

Công trình thiết kế có móng dạng trụ tròn, bên trong rỗng để bố trí các thiết bị phục

vụ cho công tác khoan dầu Giữa đế móng và trụ đỡ có các sườn gia cường Trụ đỡ sàn công nghệ cũng có dạng trụ tròn để chịu tải trong ngang do sóng, gió, dòng chảy Trụ đỡ

có kích thước vừa phải để có thể giảm diện tích tiếp xúc trực tiếp với tải trọng sóng (là tải trọng chủ yếu và nguy hiểm nhất cho công trình trong quá trình khai thác và sửa chữa) dẫn tới kết quả là giảm được tải trọng sóng tác dụng lên công trình.Đế móng được mở rộng nhằm đảm bảo ổn định trượt, lật cho công trình

2.1.1 Cao độ sàn công tác.

Sơ bộ chọn cao độ sàn công tác theo hình vẽ sau:

Hình 1.1 Sơ đồ xác định cao độ sàn công tác.

Cao độ sàn công tác được xác định như sau:

h = d0 + Δđ + γH + Δ0

Trong đó:

h d

+ h: chiều cao chân đế tính từ đáy công trình đến mặt dưới của sàn công tác.

+ d0: Độ sâu nước tại vị trí xây dựng công trình, lấy theo độ sâu hải đồ, d0 = 60m

Δd = Δdtr + Δdnd

Δdtr: Nước dâng do triều, Δdtr = 3,3m

Δdnd: Nước dâng do bão, Δdnd = 1,9m

- Đường kính ngoài của đế móng : Dm = 40 m

- Chiều cao của đế móng: hm = 10 m

2.1.4 Sườn gia cường.

Dùng để liên kết giữa trụ và đế móng,có tác dụng tăng cường độ cứng của trụ Sườn gia cường có chiều dày 0, 6 m ; chiều cao 8,9m (hm – bề dày bản đáy – bề dày bản nắp),

có 8 cái

2.2 Kiểm tra điều kiện tự nổi của chân đế móng.

Công trình là kiểu trọng lực bê tông, phương pháp thi công là sẽ hạ thủy chân đế kéo đến vị trí đủ độ sâu ven biển thi công tiếp rồi đánh chìm,thi công xng phần trụ rồi mới cẩu lắp các khối thượng tầng lên,vì vậy trong quá trình thi công chân đế phải đảm bảo nổi trên mặt nước để thi công tiếp phần trụ phía trên vì vậy ta phải kiểm tra độ nổi của đế móng

BT d

n

G V

6088, 2x4

4,85.40

Chương 3 :

Tải trọng tác dụng lên công trình.

3.1 Tải trọng sóng (theo lý thuyết sóng Airy) và dòng chảy.

3.1.1 Các phương trình sóng.

Tính toán tải trọng sóng tác dụng lên công trình theo lý thuyết sóng tiền định của

Airy Chọn hệ trục công trình để tính: trục z hướng lên trên, trục x nằm ngang trùng với

MNLTT (theo hướng lan truyền sóng), gốc tọa độ O trùng với mực nước tính toán như

Hình 1.1 Hệ toạ độ tính toán tải trọng sóng.

Với d = d0+ ∆đ = 60 + 5.2 = 65.2m là chiều sâu nước tính toán,có kể đến dao động

của thủy triều và nước dâng

+ Phương trình tung độ mặt sóng: Chiều cao nước đường mặt so với mực nước tĩnh

- CM: Hệ số nước kèm, CM = 2;

- ρ: Mật độ của nước biển, ρ =1, 025T/m3

- A: Diện tích mặt cắt ngang của phần tử kết cấu

2

os1

os

s

x

c h k z d g

Với công trình có kích thước nhỏ thì ta có thể sử dụng công thức của Morison để

xác định tải trọng của dòng chảy tác động vào công trình:

+ Vdc: Vận tốc của dòng chảy được xác định khi ta coi dòng chảy biến thiên theo

quy luật bậc nhất theo độ sâu

+ Vận tốc dòng chảy tại chân công trình khi đỉnh sóng tiếp cận chân công trình

Z

Vd Vdc(z)

Vm

Vdc(z) Vm'

Bảng 1.1 Tải trọng do sóng và dòng chảy tác động lên công trình.

15 16

453.12

MNLTT 2

Để xác định momen của kết cấu, ta quy đổi biểu đồ tải trọng như sau:

500500500500500500500500

550500500500

MNTT

502.19

467.31

74.01 87.9 104.9 124.68 148.47 176.95 210.96 251.55 299.99

13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

Hình 1.3 Biểu đồ quy đổi tải trọng và dòng chảy (kN)

g V

⇒ = = = (kN) Điểm đặt lực tại đáy sàn công tác.

Tải trọng gió tác dụng lên phần trụ nằm trên chiều cao sóng được xác định theo công thức:

Hệ số k xác định theo bảng 6.1 của sơ đồ 34 phụ thuộc vào hệ số λe :

Ta có λe= 2.l/b= 2.73/11= 13,27 tra bảng kết hợp với nội suy ta được :

k= 0,6827

Hệ số c xác định theo biểu đồ phụ thuộc vào ∆/d và Re/105:

Với kết cấu bê tông cốt thép : ∆= 0,005m

600 11000

742.35 kN

524.5 kN 439.5 kN 370.05 kN

Hình 1.1 Sơ đồ tải trọng ngang tác dụng lên công

3.3 Tải trọng bản thân công trình.

Tải trọng thường xuyên: Q1 = 5500T = 55000kN

Trọng lượng của trụ trên mặt nước:

55000 kN

600 11000

l K

4.2 Kiểm tra điều kiện chịu lực của đất nền.

4.2.1 Nội lực tại đáy móng.

Fv = 74586,4 kN

FH = 6097kN

M = 119970.915 kNm

4.2.3 ứng suất dưới đáy móng.

4.2.3.1 Ứng suất tiếp dưới đáy móng

N : Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên đáy móng công trình

M: Mômen tác dụng lên đáy móng

Hình 2.1 Biểu đồ ứng suất dưới đáy móng.

4.2.4 Kiểm tra cường độ đất nền.

4.2.4.1 Sức chịu tải của đất nền

Sức chịu tải của đất nền được kiểm tra theo điều kiện:

ax

n m

n

q k

N

q n = c + ⋅ γ γb

21

Với:

C : Lực dính đơn vị của đất nền , C = 110 kN/m2

Nc, Nγ : Các hệ số không thứ nguyên, được tra bảng phụ thuộc vào góc nội ma sát

ϕ của đất nền

Với ϕ = 25o tra được Nc = 20,7 và Nγ = 10,9.(bảng 4.1 SGT Bài Giảng)

γb : Khối lượng riêng của đất khi ngập nước

Vậy: ax 56,96 n

m

n

q k

f

f

3 2 1

3

2

1

0 0

0 0

0 0

Trong đó

- f1, f2, f3: tương ứng với Fv, FH, M

- u, v, θ : Là các chuyển vị theo phương ngang, đứng và góc xoay của đế móng

- k1, k2, k3 : Độ cứng của lò xo tương đương, mô tả tính chất nền đàn hồi đồng nhất

( )

υ

υ

87

1

2

R G

k ; = 3(1−υ)

.8

3

R G k

Vậy qua tính toán trên ta xác định đư ợc chuyển vị của đế móng như sau:

+ Chuyển vị ngang của đế móng là: u = 0,0333m = 33,3 mm

+ Chuyển vị đứng của đế móng là: v = 0,00245 m = 2,45 mm

+ Góc xoay đế móng là: θ = 0,723 rad

Chương 5 :

Tính toán cốt thép.

Các cấu kiện của công trình biển trọng lực bêtông cũng như các công trình biển bằng thép, trong quá trình thi công cũng như trong quá trình khai thác, phải đủ khả năng chịu tác động nguy hiểm nhất có thể xảy ra

Bêtông là loại vật liệu chịu nén tốt, nhưng hầu như không có khả năng chịu kéo Các cấu kiện bêtông có thể có vùng chịu kéo do lực kéo dọc trục gây ra hoặc do mômen uốn Do vậy cần phải tăng cường khả năng chịu kéo cho bêtông bằng cách đặt thêm các cốt thép chịu lực vào vùng chịu kéo Sau khi bêtông đông cứng, giữa bêtông và cốt thép

sẽ xuất hiện lực dính bám, lúc này cả bêtông và cốt thép đều tham gia chịu lực

Để khống chế vết nứt, tránh cho cốt thép bị xâm thực, người ta đặt thêm cốt thép ứng suất trước để tạo lực nén trước trong bêtông Cấu kiện bêtông cốt thép ứng suất trước được thiết kế theo lý thuyết đàn hồi

5.1.2 Tính toán cốt thép Ứng suất trước.

Ta tính với mặt cắt nguy hiểm nhất là mặt cắt tại điểm 14

Điều kiện không chế vết nứt cho bêtông vùng kéo :

- I : Mômen quán tính của cột (= 227,81 m4)

- As :Diện tích tiết diện các bó thép ƯST

- σs : Ứng suất trong bó thép ƯST σs = 1050 Mpa =105000 T/m2

- a: Khoảng cách từ tâm mặt cắt đến điểm tính toán.(a = 5,5 m)

-P: Áp lực thủy tĩnh:

P= γn.h

-γn: là trọng lượng riêng nước biển (γn = 1,025T/m3)

h : là chiều sâu tiết diện đang xét

N N

Trước hết đặt các cốt thép thông thường vào các ống rãnh bằng tôn, kẽm hoặc vật liệu khác để tạo các rãnh dọc , rồi đổ bê tông Khi bê tông đạt đến cường độ nhất định thì tiến hành luồn và căng cốt thép ứng lực trước tới ứng suất qui định Sau khi căng xong cốt thép ứng lực trước được neo chặt vào đầu cấu kiện Thông qua các neo đó cấu kiện sẽ

bị nén bằng lực đã dùng khi kéo căng cốt thép Tiếp đó, bơm vữa vào trong ống rãnh để bảo vệ cốt thép khỏi bị ăn mòn và tạo ra lực dính giữa bêtông và cốt thép

Hình 1.2 Phương pháp tạo ra Ứng suất trước.

Sau một thời gian, do nhiều nguyên nhân ứng suất trước trong cốt thép bị giảm đi (thậm chí bị triệt tiêu và hiệu quả của ứng lực trước hoàn toàn biến mất) Do đó phải xét đến sự hao ứng suất trong cốt thép ứng lực trước

5.1.3 Hao tổn ứng suất trong cốt thép Ứng suất trước.

(Theo bảng 6/TCXDVN356/2005)

σsp - là ứng suất trước trong cốt thép

Rs,ser : Cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép ứng với trạng thái giới hạn thứ hai

σsp = 1050Mpa= 10500 (kG/cm2)

Rs,ser= 800Mpa= 8000(kG/cm2)

(0, 22 0,1)10500 1981,875( / ) 8000

Ứng suất này xảy ra khi bê tông đông cứng trong điều kiện dưỡng hộ nhiệt Theo phương pháp căng sau, bê tông đông cứng tự nhiên nên không xuất hiện ứng suất này

5.1.3.4 Do sự ma sát của cốt thép và thành ống (σms)

Trong phương pháp căng sau, σms được tính theo công thức:

.

1 (1 ).

e

Trong phương pháp căng trước ứng suất này xảy ra ngay sau khi buông cốt thép để

ép bê tông Vì ta chọn phương án căng sau nên σtbn=0

Với phương pháp căng sau và mác bê tông là M500 tra bảng (giáo trình BTCT) ta

có: σco = 350kG/cm2

Hao tổn này xảy ra sau một quá trình chịu nén lâu dài Đối với bê tông nặng ta có:

150 . bp tb

5.1.4 Kiểm tra ứng suất.

5.1.4.1 Kiểm tra theo điều kiện ứng suất nén

Khi bê tông chịu ƯST của thép ƯST gây ra cho nên tại vùng bê tông chịu nén ứng suất tăng lên Mặt khác do áp lực ngoài gây ra hiệu ứng biên ở hai đầu trụ bởi áp lực thuỷ tĩnh nên ứng suất này cũng tăng lên Vì vậy ta cần kiểm tra ứng suất tổng hợp do các yếu

tố trên gây ra Kiểm tra với mặt cắt đầu ngàm (M/c) chịu nén lớn nhất

1) Ứng suất tại mặt cắt tính toán do trọng lượng bản thân ; tải trọng sóng, gió, dòng chảy và do thép ƯST gây ra với từng điểm tính được xác định như sau:

A

A A

F I

- Ứng suất tại mặt trong đầu ngàm:

τ = 0 ; σz = -2,12

t

a P.

-Ứng suất tại mặt giữa:

Trong đó :

1 13 3 4 24 2

+ M,F- Mômen, lực dọc tại mặt cắt tính toán.

Với: M =119970,92kN.m; Fv = 74586,4kN

+ A-Diện tích mặt cắt ngang của ngàm A = 16,49 m2

+ a-Khoảng cách từ tâm mặt cắt đến điểm tính toán a= 5,5m

+ As- Diện tích cốt thép ứng suất trước A = 905,4 cm2= 0,09054 m2

- σs : Ứng suất trong bó thép ƯST σs = 105000 T/m2

+ P - áp lực thuỷ tĩnh, P = 64,575 T/m2

Ứng suất nén trong bê tông: σ =σ−b +σz

Ta tính toán với 3 điểm 1,3,13 ta được kết quả như sau:

Bảng 1.1 Ứng suất tại mặt cắt ngoài, trong, và giữa của ngàm.

Theo TCXDVN356/2005 ta chọn loại cốt thép thường như sau :

Chọn thép loại A-V tra bảng 21 có cường độ chịu nén của thép là:

Kiểm tra ứng suất chính đối với các điểm nằm trên mặt cắt 11.

Hình 2.1 Xác định ứng suất chính của các điểm trong

a

b R

=

+ σ : ứng suất pháp tại 1 điểm nào đó trong mặt cắt cấu kiện

z s s A

A A

F I

b

S Q

I

1

+ bc : Bề rộng mặt cắt tại điểm tính ứng suất tiếp

+ Q : Lực cắt tại điểm tính ứng suất

+ Iy : Mômen quán tính của tiết diện đối với trục y

13 5,25 3.28 4.306 -678,037 -221.802 -4368.9 -212.35 10.2969Mặt khác ta có : 0,33 R b =0,33 4300 21, 6( /= T m2)

→ các giá trị ứng suất chính trong bảng đều thoả mãn điều kiện

Momen ở giữa nhịp trong phương ngắn :

4,38 100% 100 0,09% 0, 05%

Trong tính toán gần đúng để đơn giản ta qui đổi móng tròn thành móng vuông có cùng diện tích Diện tích bản đáy là:

Tra bảng 1.19 “Sổ tay thực hành kết cấu công trình” với 1

2

1, 26

l

l = ta được các giá trị

sau ( cắt mỗi phương 1m dài bản):

Momen ở giữa nhịp trong phương ngắn :

M2 = 0,0245.q.l2 = 0,0245.8,7.10,752=24,63(T.m)

Momen ở đầu ngàm trong phương ngắn :

Momen ở giữa nhịp trong phương dài :

16, 44 100% 100 0, 299% 0,05%

100.2, 011

23 8,717

8,717 100% 100 0,1676% 0,05%

⇒ Cốt thép bố trí như trên là đảm bảo

2) Tính toán cốt thép cho phần chịu momen âm

Chọn chiều dày lớp bảo vệ a = 5cm → h0 = h – a = 60 – 5 = 55cm

5 12

40,06 100% 100 0, 728% 0, 05%