Luận án : Nghiên cứu sự suy giảm độ tin cậy theo thời gian của kết cấu chân đế công trình biển cố định bằng thép do ảnh hưởng của tổn thất mỏi

Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu CTB Công trình biển CTB CĐ Công trình biển cố định TTB Trạng thái biển ĐLNN Đại lượng ngẫu nhiên QTNN Quá trình ngẫu nhiên Ứng suất trong kết cấu

Lời cảm ơn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể các thầy hướng dẫn khoa học,

PGS.TS Đinh Quang Cường và GS.TS Phạm Khắc Hùng, đã tận tâm hướng

dẫn và giúp đỡ tác giả để hoàn thành luận án này Ngoài các kiến thức khoa học quý

báu, các thầy đã luôn động viên, quan tâm hỗ trợ để tác giả vượt qua được nhiều

thời điểm khó khăn trong quá trình thực hiện luận án Tác giả xin đặc biệt cảm ơn

GS TS Phạm Khắc Hùng đã cho phép tác giả vận dụng một phần sáng chế của

mình để giải quyết các vấn đề trong luận án

Tác giả chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong Viện Xây dựng Công trình

Biển, các cán bộ Khoa Sau Đại học trường Đại học Xây Dựng đã đóng góp ý kiến

về chuyên môn và tạo điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành luận án này

Tác giả cảm ơn gia đình yêu quý của mình, đặc biệt đối với vợ, các con và

cha mẹ hai bên nội ngoại đã tin tưởng, khích lệ, cảm thông cho tác giả trong những

năm tháng làm luận án

Tác giả

Mai Hồng Quân

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất cứ công trình nào khác

Ngày … tháng… năm 2014

Nghiên cứu sinh

Mai Hồng Quân

Mục lục

Lời cảm ơn i

Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu ix

Danh mục các hình vẽ xii

Danh mục các bảng biểu xiv

Mở đầu 1

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 1

Ý nghĩa khoa học: 1

Ý nghĩa thực tiễn của luận án: 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KẾT CẤU CHÂN ĐẾ CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP (JACKET) 1.1 Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép 4

1.1.1 Khái quát về công trình biển cố định bằng thép 4

1.1.2 Các tải trọng tác động lên công trình biển cố định 5

1.1.3 Yêu cầu cơ bản về thiết kế và thi công 5

1.1.4 Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép trên thế giới 6

1.1.5 Tình hình ứng dụng và triển vọng phát triển loại công trình biển cố định bằng thép để khai thác dầu khí ở Việt Nam 7

1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng các phương pháp đánh giá an toàn kết cấu jacket trong các tiêu chuẩn hiện hành 8

1.2.1 Các phương pháp đánh giá an toàn sử dụng trong tiêu chuẩn hiện hành 8

1.2.1.1 Phương pháp đánh giá theo các trạng thái giới hạn 8

1.2.1.2 Phương pháp đánh giá theo độ tin cậy 9

1.2.2 Nhận xét về các phương pháp đánh giá an toàn sử dụng trong các tiêu chuẩn hiện hành 10

1.2.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế 10

1.2.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 11

1.2.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 11

1.3 Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án 12

1.3.1.1 Nguyên lý tổng quát để đánh giá an toàn của các loại kết cấu công trình

biển theo sáng chế của GS Phạm Khắc Hùng 12

1.3.2 Đặt vấn đề nghiên cứu 13

1.3.3 Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án 13

1.4 Các giả thiết và giới hạn nghiên cứu trong luận án 14

1.5 Kết luận của chương 1 15

CHƯƠNG 2: ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CỦA KẾT CẤU JACKET CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH DỰA TRÊN TÍNH TOÁN BỀN VÀ MỎI TRUYỀN THỐNG 2.1 Mở đầu 16

2.1.1 Các trạng thái tác động sóng lên các công trình biển 16

2.1.2 Đánh giá an toàn của kết cấu theo tiêu chuẩn hiện hành 17

2.1.2.1 Đánh giá theo điều kiện bền 17

2.1.2.2 Đánh giá an toàn theo điều kiện mỏi 17

2.2 Mô tả chuyển động sóng biển bề mặt 18

2.2.1 Mô tả sóng theo quan điểm tiền định 18

2.2.1.1 Các lý thuyết sóng 18

2.2.1.2 Miền áp dụng các lý thuyết sóng 19

2.2.2 Mô tả sóng theo quan điểm ngẫu nhiên 19

2.2.2.1 Mặt cắt (profile) của sóng ngẫu nhiên 19

2.2.2.2 Phổ năng lượng của sóng 20

2.2.2.3 Các phổ sóng thông dụng trong thiết kế kết cấu công trình biển 21

2.2.2.4 Phổ vận tốc và gia tốc của phần tử nước do sóng ngẫu nhiên 22

2.3.Tải trọng sóng tác dụng lên các phần tử mảnh của kết cấu jacket 22

2.3.1 Tải trọng sóng tiền định 22

2.3.2 Tải trọng sóng ngẫu nhiên 23

2.4 Đánh giá an toàn của kết cấu jacket theo điều kiện bền truyền thống 24

2.4.1 Đánh giá an toàn của kết cấu dựa trên mô hình sóng tiền định 24

2.4.1.1 Xác định phản ứng động của kết cấu theo mô hình tiền định 24

2.4.1.2 Kiểm tra bền của kết cấu theo mô hình tiền định 25

2.4.2 Đánh giá an toàn của kết cấu dựa trên mô hình sóng ngẫu nhiên 25

2.4.2.1 Phương pháp phổ 25

2.4.2.2 Phương pháp giải trong miền thời gian 26

2.5 Đánh giá an toàn của kết cấu jacket theo điều kiện mỏi truyền thống 28

2.5.1 Đánh giá an toàn về mỏi của kết cấu dựa trên mô hình sóng tiền định 28

2.5.1.1 Tính toán mỏi theo phương pháp tổn thất tích luỹ 28

2.5.1.2 Tính toán tổn thất mỏi theo mô hình sóng tiền định 29

2.5.2 Đánh giá an toàn về mỏi của kết cấu dựa trên mô hình sóng ngẫu nhiên 30

2.5.2.1 Ứng suất ngẫu nhiên tại điểm nóng 30

2.5.2.2 Xác định tổn thất mỏi trung bình của điểm nóng trong trạng thái biển ngắn hạn bằng phương pháp phổ 31

2.5.2.3 Tuổi thọ mỏi trung bình của điểm nóng trong kết cấu jacket 33

2.6 Kết luận của chương 2 33

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP LUẬN ĐÁNH GIÁ MỨC SUY GIẢM ĐỘ TIN CẬY THEO THỜI GIAN CỦA KẾT CẤU JACKET CÁC CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH 3.1 Mở đầu 35

3.1.1 Dạng tổng quát độ tin cậy theo điều kiện bền truyền thống 35

3.1.2 Dạng tổng quát độ tin cậy theo điều kiện mỏi truyền thống 35

3.2 Dạng tổng quát đánh giá sự suy giảm ĐTC tổng thể của kết cấu jacket 35

3.2.1 Dạng tổng quát độ độ tin cậy dựa trên điều kiện bền mở rộng 35

3.2.2 Dạng tổng quát độ độ tin cậy theo điều kiện mỏi mở rộng 36

3.3 Xác định độ tin cậy về bền của kết cấu jacket trong trạng thái biển ngắn hạn cực đại 37

3.3.1 Ứng suất ngẫu nhiên trong kết cấu 37

3.3.2 Độ tin cậy về bền của kết cấu jacket khi ứng suất có phổ dải hẹp 38

3.3.3 Độ tin cậy về bền của kết cấu jacket khi ứng suất có phổ dải rộng 38

3.4 Xác định độ tin cậy theo điều kiện mỏi tại một điểm nóng của kết cấu jacket phụ thuộc vào thời gian khai thác 40

3.4.1 Xác định kỳ vọng và phương sai của tổn thất mỏi trong trạng thái biển ngắn hạn tại một điểm nóng 40 3.4.1.1 Biểu diễn ứng suất ngẫu nhiên tại điểm nóng trong miền thời gian 40 3.4.1.2 Xác định số lượng chu trình ứng suất bằng kỹ thuật đếm dòng mưa 43 3.4.1.3 Xác định kỳ vọng và phương sai của tổn thất mỏi tại điểm nóng trong một trạng thái biển ngắn hạn 44 3.4.2 Xây dựng hàm phân phối xác suất của tổn thất mỏi tại điểm nóng trong một năm……… 48 3.4.2.1 Mật độ xác suất của tổn thất mỏi tại điểm nóng trong một năm 48 3.4.2.2 Hàm phân phối xác suất của tổn thất mỏi tại điểm nóng trong một năm 48 3.4.2.3 Đánh giá độ tin cậy về mỏi tại điểm nóng trong 1 năm……… 49

3.5 Xác định độ tin cậy về mỏi tại điểm nóng ở thời điểm T(năm) 50 3.6 Xác định ĐTC của kết cấu tại điểm xét dựa trên điều kiện bền mở rộng 51

3.6.1 Độ tin cậy ứng với trường hợp ứng suất trong kết cấu có phổ dải hẹp 51 3.6.2 Độ tin cậy ứng với trường hợp ứng suất trong kết cấu có phổ dải rộng 51

3.7 Xác định ĐTC của kết cấu tại điểm xét dựa trên điều kiện mỏi mở rộng 51

3.7.1 Kỳ vọng của tỷ số tổn thất mỏi mở rộng 51 3.7.2 Phương sai của tỷ số tổn thất mỏi mở rộng 52 3.7.3 Độ tin cậy tính theo điều kiện mỏi mở rộng 52

3.8 Đánh giá sự suy giảm ĐTC theo thời gian của KCCĐ jacket dựa trên ĐTC thực tế (tổng thể) của KC tại điểm xét 52 3.9 Đánh giá mức độ suy giảm khả năng chịu tải của điều kiện biển cực đại theo thời gian khai thác công trình 53 3.10 Sơ đồ thuật toán đánh giá an toàn của kết cấu jacket theo các phương pháp truyền thống và theo phương pháp luận của Luận án 55 3.11 Kết luận của chương 3 60

CHƯƠNG 4: VÍ DỤ ỨNG DỤNG

4.1 Mở đầu 61

4.2 Các số liệu đầu vào sử dụng trong ví dụ 61

4.2.1 Số liệu về công trình 61

4.2.2 Số liệu về môi trường 62

4.3 Các phần mềm máy tính sử dụng trong ví dụ 64

4.3.1 Các phần mềm thương mại 64

4.3.2 Phần mềm tự lập “ RFCAL” 65

4.4 Kết quả tính độ tin cậy theo điều kiện bền truyền thống 65

4.4.1 Kết quả tính nội lực ngẫu nhiên trong kết cấu 65

4.4.2 Kiểm tra bền của phần tử thanh 67

4.5 Độ tin cậy theo điều kiện mỏi truyền thống của kết cấu jacket 67

4.5.1 Tính toán tổn thất mỏi 68

4.5.1.1 Đầu vào tính mỏi 68

4.5.1.2 Tính toán ứng suất điểm nóng 69

4.5.1.3 Tính toán tổn thất mỏi tại điểm nóng 71

4.5.2 Kết quả tính toán độ tin cậy theo điều kiện phá hủy mỏi truyền thống 73

4.6 Đánh giá sự suy giảm độ tin cậy tổng thể của kết cấu jacket 73

4.6.1 Độ tin cậy tại điểm đặc trưng của kết cấu khi bắt đầu khai thác 73

4.6.2 Đánh giá sự suy giảm độ tin cậy và khả năng chịu tải của kết cấu trong quá trình khai thác 74

4.6.2.1 Độ tin cậy theo điều kiện bền mở rộng 74

4.6.2.2 Kết quả tính độ tin cậy theo điều kiện mỏi mở rộng 75

4.6.2.3 Nghiên cứu bổ sung với trường hợp biến đổi khí hậu bất thường: 77

4.6.2.4 Kết quả tính toán độ tin cậy tổng thể của công trình 79

4.7 Đánh giá mức độ suy giảm khả năng chịu tải của điều kiện biển cực đại theo thời gian khai thác công trình tại điểm xét 80

4.8 Kết luận của chương 4 81

PHẦN KẾT LUẬN

1 Những kết quả đã đạt được 83

2 Những đóng góp mới của luận án 83

3 Kiến nghị của luận án 84

4 Hướng nghiên cứu phát triển của luận án 84

PHỤ LỤC: Chương trình tính mỏi ngẫu nhiên RFCAL ………… ……….…….90

Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu

CTB Công trình biển

CTB CĐ Công trình biển cố định

TTB Trạng thái biển

ĐLNN Đại lượng ngẫu nhiên

QTNN Quá trình ngẫu nhiên

Ứng suất trong kết cấu


 Ứng suất cho phép

 Khả năng chịu lực của vật liệu

 Cường độ của vật liệu

 Hệ số an toàn của vật liệu

ULS Trạng thái ứng suất cực hạn

WSD Thiết kế theo ứng suất cho phép

LRFD Phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số cường độ

a m Chiều sâu của vết nứt

N số chu trình ứng suất theo đường cong S-N

C, m

∆

C, m các thông số theo quy tắc Paris

Hệ số cường độ ứng suất tại điểm nóng bị phá hủy mỏi

,   Độ tin cậy và độ tin cậy cho phép của kết cấu

,   Xác suất phá hủy và xác suất phá hủy cho phép

,  Chỉ số độ tin cậy tính toán và chỉ số độ tin cậy cho phép  Độ tin cậy theo điều kiện bền

 Độ tin cậy theo điều kiện mỏi

 Độ tin cậy theo điều kiện mỏi ở thời điểm T năm

 Độ tin cậy theo điều kiện bền tổng thể

 Độ tin cậy theo điều kiện mỏi mở rộng

() Mặt cắt bề mặt sóng biển (Profile sóng )

T z Chu kỳ trung bình cắt không

T c Chu kỳ trung bình của các đỉnh sóng cực đại (H max)

H, H s , H max Chiều cao sóng, chiều cao sóng đáng kể, chiều cao sóng cực đại

Phổ gia tốc của phần tử nước theo phương x và phương y

F (t) Tải trọng sóng tác động lên kết cấu tính theo công thức Morison

,  Vận tốc và gia tốc của phần tử nước

 () Phổ tải trọng sóng lên phần tử kết cấu

!, !, !" Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của vật cản

ω Tần số của dạng dao động riêng thứ nhất của kết cấu

T 1 Chu kỳ của dạng dao động riêng thứ nhất

ε Hệ số cản của kết cấu khi dao động

Φ(n * n) Ma trận các dạng dao động riêng của kết cấu

Y(t) Véc tơ chuyển vị suy rộng của hệ

Mˆ Ma trận khối lượng trong hệ tọa độ suy rộng

Cˆ Ma trận cản nhớt trong hệ tọa độ suy rộng

Kˆ Ma trận độ cứng trong hệ tọa độ suy rộng

Fˆ(t) Véc tơ tải trọng trong hệ tọa độ suy rộng

T

Φ Ma trận chuyển trí của ma trận các dạng dao động riêng

H(iω) Ma trận hàm truyền của hệ kết cấu

&'&'() Phổ phản ứng của kết cấu

|)(*)| Mô đun hàm truyền

 +' +,() Phổ tải trọng trong hệ tọa độ suy rộng

N A , M x , M y Lực dọc, mô men uốn theo phương x, theo phương y của thanh

A, W x , W y Diện tích, mô men kháng uốn theo phương x, theo phương y

#- Phương sai của quá trình ứng suất

a Biên độ của quá trình ngẫu nhiên

.(/) Hàm mật độ phân phối xác suất của a

σmax Ứng suất cực đại tại điểm đang xét

0 Bề rộng khoảng tần số khi rời rạc phổ

1 Góc lệch pha ngẫu nhiên

2 Ứng suất do tải trọng sóng ngẫu nhiên

23% Ứng suất lớn nhất do tải trọng sóng ngẫu nhiên gây ra

n i Số chu trình của số gia ứng suất là 

N i Số chu trình gây phá hủy mỏi của số gia ứng suất Si

A , m Các thông số của đường cong mỏi Wholer

.(4) Hàm mật độ phân phối của số gia ứng suất s

SCF Hệ số tập trung ứng suất

56ă Tổn thất mỏi trong thời gian 1 năm

6ă Tổn thất mỏi trong thời gian T năm

8 Ứng suất tổng cộng trong kết cấu

Danh mục các hình vẽ

Trang Hình 1.1 Công trình biển cố định bằng thép kiểu jacket, 5 Hình 1.2 Các công trình biển cố định đã được xây dựng ở vùng nước sâu 7

Hình 1.4 Điểm nóng kiểm tra bền và kiểm tra mỏi tại đầu ống 12 Hình 1.5 Sơ đồ mô tả các bài toán đánh giá an toàn cho kết cấu jacket 14 Hình 2.1 Sơ đồ phân vùng áp dụng của các lý thuyết sóng 19 Hình 2.2 Thể hiện quá trình ngẫu nhiên của chuyển động sóng bề mặt 20

Hình 2.4 Minh họa chuyển đổi sóng biển từ phổ thành các sóng điều hòa 27 Hình 2.5 Quá trình ngẫu nhiên dải hẹp, quá trình ngẫu nhiên dải rộng 30 Hình 3.1 Độ tin cậy theo điều kiện mở rộng thay đổi theo thời gian 36 Hình 3.2 Một thể hiện của ứng suất điểm nóng theo thời gian 39

Hình 3.4 Một thể hiện của nội lực ngẫu nhiên trong kết cấu 41

Hình 3.7 Đếm số chu trình ứng suất theo pp đếm dòng mưa 43

Hình 3.11 Quan hệ giữa ĐTC theo điều kiện bền và chiều cao sóng 53 Hình 3.12 Sơ đồ thuật toán chương trình tính toán mỏi ngẫu nhiên RFCAL 57

Hình 4.2 Thể hiện ngẫu nhiên của lực dọc trong thanh 101L-202L 65 Hình 4.3 Thể hiện ngẫu nhiên của mô men Mx trongthanh 101L-202L 65 Hình 4.4 Thể hiện ngẫu nhiên của mô men My trongthanh 101L-202L 65

Hình 4.5 Sơ đồ kết cấu và nút được tính toán trong ví dụ 67

Hình 4.10 Kết quả ứng suất điểm nóng R trong thanh 101L-202L 69 Hình 4.11 So sánh ĐTC theo điều kiện bền truyền thống và điều kiện bền mở

Danh mục các bảng biểu

Trang Bảng 3.1 Bảng mẫu kết quả tính toán ĐTC theo điều kiện mỏi truyền thống 58 Bảng 3.2 Bảng mẫu kết quả tính toán ĐTC theo điều kiện bền mở rộng 58 Bảng 3.3 Bảng mẫu kết quả tính toán ĐTC theo điều kiện mỏi mở rộng 58 Bảng 3.4 Bảng mẫu kết quả tính toán ĐTC theo điều kiện bền tổng thể 58

Bảng 4.11 Xác suất của các TTB theo hướng 45o (Trung bình 1 năm) 70 Bảng 4.12 Xác suất của các TTB theo hướng 225o (Trung bình 1 năm) 70 Bảng 4.13 Xác suất của các TTB theo hướng 270o (Trung bình 1 năm) 70 Bảng 4.14 Kết quả tính toán độ tin cậy theo điều kiện mỏi truyền thống 72 Bảng 4.15 Kết quả tính toán độ tin cậy theo điều kiện bền mở rộng 73

Bảng 4.16 Kết quả tính toán theo điều kiện mỏi mở rộng với cơn bão kéo dài

Bảng 4.19 Kết quả tính toán mỏi mở rộng ở năm thứ 24 77 Bảng 4.20 Kết quả tính toán mỏi mở rộng ở năm thứ 25 77

Bảng 4.22 Quan hệ giữa chiều cao cóng H s và ĐTC theo điều kiện bền 80 Bảng 4.23 Kết quả tính toán độ tin cậy yêu cầu theo thời gian 80

Mở đầu

Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án

Hiện nay đánh giá an toàn của các công trình biển theo độ tin cậy là một

phương pháp hiện đại đang được quan tâm để đưa vào sử dụng trong các quy phạm Phương pháp này có tiến bộ đáng kể là đã đưa vào mô hình hóa nhiều yếu tố ngẫu nhiên ảnh hưởng đến an toàn của công trình mà các phương pháp khác chưa kể đến được Tuy vậy điểm căn bản của phương pháp này vẫn dựa trên việc xem xét một

cách riêng biệt hai điều kiện an toàn chính của kết cấu công trình biển; đó là điều kiện bền (khi công trình chịu tác động của sóng cực đại) và điều kiện mỏi (khi

công trình chịu tác động của sóng thường xuyên trong trạng thái biển dài hạn)

Thực tế là: hiện tượng mỏi do các tác động của sóng biển từ khi xây dựng công trình đến thời điểm đánh giá đã làm suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu

và tổn thất mỏi do sóng biển trong trạng thái biển cực đại gây ra phải được kể đến

cùng với tổn thất mỏi do trạng thái biển dài hạn tích luỹ trước đó

Các ảnh hưởng thực tế nói trên làm suy giảm độ an toàn (độ tin cậy) và tuổi thọ của kết cấu theo thời gian Để đánh giá sự suy giảm độ tin cậy của kết cấu do các ảnh hưởng này, tác giả đã tiến hành nghiên cứu và hoàn thành luận án với tên đề

tài là: “Nghiên cứu sự suy giảm độ tin cậy theo thời gian của kết cấu chân đế công trình biển cố định bằng thép do ảnh hưởng của tổn thất mỏi”

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học:

Luận án đề xuất một phương pháp mới dựa trên mô hình xác suất và lý thuyết độ tin cậy của kết cấu công trình để đánh giá an toàn và tuổi thọ mỏi cho các kết cấu công trình biển cố định bằng thép chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên

Ý nghĩa thực tiễn của luận án:

Việc xác định được độ tin cậy của từng vị trí trên kết cấu công trình tại một thời điểm bất kỳ trong quá trình khai thác, có kể đến tích lũy mỏi từ thời điểm xây dựng công trình đến thời điểm kiểm tra, và việc xác định được tuổi thọ mỏi của

từng vị trí trên kết cấu công trình có kể đến tích luỹ mỏi do sóng biển trong các trạng thái biển cực đại đã gặp trước thời điểm kiểm tra giúp chúng ta có thể giải thích được hiện tượng một số kết cấu công trình gặp sự cố khi gặp bão nhỏ hơn bão thiết kế Đây là một kết quả quan trọng của luận án, có ý nghĩa thực tiễn cho các hoạt động khai thác và bảo dưỡng kết cấu công trình, đảm bảo quá trình khai thác được an toàn dựa trên công tác tối ưu hóa được kế hoạch khảo sát, chương trình khảo sát và duy tu bảo dưỡng kết cấu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:

Đối tượng nghiên cứu của luận án là kết cấu chân đế công trình biển cố định bằng thép dạng jacket chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên

Phương pháp nghiên cứu của luận án:

- Nghiên cứu phương pháp luận: nghiên cứu tìm hiểu phương pháp luận giải các bài toán truyền thống (bài toán bền, bài toán mỏi) từ đó chỉ ra những vấn đề mà các bài toán truyền thống chưa xét đến;

- Nghiên cứu ứng dụng: sử dụng các kiến thức cơ học, toán học và mô hình xác suất để xây dựng các công thức để đánh giá sự suy giảm độ tin cậy của kết cấu công trình biển cố định bằng thép

- Thực hiện các tính toán bằng số (kết hợp phần mềm tính toán kết cấu SACS với chương trình tự lập) để khảo sát kết quả ứng dụng phương pháp của luận án

- So sánh với các phương pháp truyền thống để đưa ra các kết luận ứng dụng

Mục tiêu nghiên cứu của luận án;

- Nghiên cứu xác định các phản ứng ngẫu nhiên của kết cấu công trình biển cố định bằng thép (nội lực và ứng suất ngẫu nhiên) do tác động của sóng biển

- Nghiên cứu tổn thất mỏi ngẫu nhiên của kết cấu jacket do sóng biển gây ra

- Xác định độ tin cậy của kết cấu theo các điều kiện bền và mỏi

- Nghiên cứu sự suy giảm theo thời gian của độ tin cậy do kể đến ảnh hưởng của tổn thất mỏi và tổn thất mỏi do bão cực hạn gây ra

Cấu trúc của luận án:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về các phương pháp đánh giá an toàn kết cấu chân đế

công trình biển cố định bằng thép (Jacket)

Chương 2: Đánh giá an toàn của kết cấu jacket công trình biển cố định dựa trên

tính toán bền và mỏi truyền thống

Chương 3: Phương pháp luận đánh giá mức suy giảm độ tin cậy theo thời gian

của kết cấu jacket các công trình biển cố định

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KẾT CẤU CHÂN ĐẾ CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP (JACKET)

1.1 Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép

1.1.1 Khái quát về công trình biển cố định bằng thép

Công trình biển cố định bằng thép là công trình biển có kết cấu khối chân đế bằng thép được gọi là kiểu jacket có liên kết cố định với đáy biển bằng móng cọc

tại vị trí khai thác công trình Ứng dụng nhiều nhất của công trình biển cố định bằng thép là trong ngành khai thác dầu khí biển, ngoài ra còn được dùng phục vụ mục đích quân sự và dịch vụ hậu cần ngoài khơi

Trong các loại kết cấu công trình biển cố định bằng thép thì dạng công trình có kết cấu khối chân đế kiểu jacket là loại công trình phổ biến nhất và cũng là đối tượng nghiên cứu của luận án này Các công trình biển cố định bằng thép có cấu tạo gồm các phần chính như sau ( Hình 1.1):

- Thượng tầng: khối thượng tầng của công trình biển cố định được cấu tạo

bằng thép Quy mô của khối thượng tầng tùy thuộc vào mục đích xây dựng công trình Đối với các công trình biển để khai thác dầu khí, khối thượng tầng chủ yếu bao gồm các thiết bị phục vụ khai thác dầu khí Bên cạnh các thiết bị phục vụ khai thác dầu khí, khối thượng tầng của công trình biển cố định còn có thể có các không gian kiến trúc cho người ở phục vụ khai thác công trình tại vị trí xây dựng

- Kết cấu đỡ thượng tầng: là kết cấu thép, thường có dạng giàn không gian,

có nhiệm vụ đỡ các mô đun công nghệ thượng tầng và truyền tải trọng thượng tầng xuống kết cấu khối chân đế

- Kết cấu khối chân đế: là kết cấu khung không gian hình tháp - kiểu jacket,

cấu tạo từ các ống thép liên kết hàn với nhau, gồm các ông chính, ống nhánh vào các mặt phẳng cứng nằm ngang

- Kết cấu móng: là kết cấu móng cọc, bao gồm các cọc ống thép lồng trong

ống chính hoặc cọc đóng ngoài ống chính, (còn gọi là cọc váy - Skirt pile)

Hình 1.1 Công trình biển cố định bằng thép kiểu jacket

1.1.2 Các tải trọng tác động lên công trình biển cố định

Các tải trọng chính tác động lên công trình biển cố định bằng thép bao gồm: tải trọng thượng tầng, tải trọng bản thân của các thành phần kết cấu chính và các thành phần phụ gắn vào công trình, tải trọng do gió, do sóng và dòng chảy, tải trọng đẩy nổi, áp lực thủy tĩnh, tải trọng do động đất, do băng trôi, do sự cố …trong đó tải trọng nguy hiểm nhất đến an toàn của công trình là tải trọng do sóng biển, đây là tải trọng thay đổi ngẫu nhiên, có thể phá hủy công trình do cường độ lớn nhưng cũng

có thể phá hủy công trình theo thời gian do gây ra hiện tượng mỏi trong kết cấu

1.1.3 Yêu cầu cơ bản về thiết kế và thi công

Công trình được xây dựng ngoài khơi xa và thường là các công trình độc lập Khi có sự cố xảy ra thì hậu quả thường rất nặng nề, trong đó vấn đề về an toàn cho con người, cho môi trường là đáng quan tâm nhất rồi sau đó là giá trị kinh tế của công trình và sản xuất Vì vậy cần đảm bảo các yêu cầu an toàn “tuyệt đối ” có

nghĩa là xác suất phá hủy phải rất nhỏ Quy phạm DnV quy định xác suất phá hủy lớn nhất cho các loại công trình biển khác nhau nhưng phải được hạn chế là Pf=10-3hay độ tin cậy P=0.999 [26, 27, 28]

- Yêu cầu đối với công tác thiết kế: công trình phải được tính toán thiết kế

đảm bảo khả năng làm việc an toàn trong suốt thời gian tồn tại, đảm bảo đủ độ bền chịu tác động của các tác động cực hạn như bão, động đất, băng trôi, đảm bảo độ bền dưới các tác động thường xuyên của môi trường làm suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu như hiện tượng mỏi, hiện tượng ăn mòn kim loại… Phương pháp thiết kế, phương pháp tính toán, các giả thiết tính toán và các công tác thiết kế phải tuân thủ các yêu cầu của quy phạm chuyên ngành mới cập nhật gần nhất

- Yêu cầu trong thi công chế tạo: công tác thi công chế tạo phải được thực

hiện theo các quy trình chặt chẽ nhằm đảm bảo chất lượng tuyệt đối cho công trình Các yêu cầu về dung sai cho phép, yêu cầu về kiểm tra chất lượng thi công phải thực hiện theo đúng các yêu cầu của quy phạm hiện hành Công tác thi công lắp đặt phải được thực hiện với phương pháp, quy trình, thiết bị phù hợp đúng như thiết kế

- Yêu cầu về bảo trì khi vận hành: công tác vận hành phải được thực hiện

đúng quy trình kỹ thuật đã thiết lập riêng cho công trình Tiến hành khảo sát định kỳ theo đúng cấp độ, đúng quy trình với chu kỳ khảo sát được quy định nhằm kịp thời phát hiện các khuyết tật phát sinh trong kết cấu Đặc biệt chú trọng tới việc khảo sát các nút đã được cảnh báo có tuổi thọ mỏi thấp Các công tác sửa chữa, gia cố phải tiến hành ngay sau khi phát hiện khuyết tật

1.1.4 Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép trên thế giới

Công trình biển cố định đầu tiên được xây từ những năm 1940 Công trình biển cố định chủ yếu là kiểu jacket đóng vai trò quan trọng nhất trong ngành khai thác dầu khí biển ở các vùng nước nông (độ sâu d<1000ft theo phân loại của Mỹ) Công trình loại này có mặt ở hầu hết ở các vùng mỏ trên toàn thế giới từ Biển Bắc, vịnh Mexico, biển Brazil, biển Arập và ở các vùng biển khu vực châu Á như Thái Lan, Malayxia, Việt Nam Từ những công trình ban đầu ở các độ sâu <10m

nước và dần dần cùng với sự phát triển, áp dụng tiến bộ khoa học của nhiều lĩnh vực liên quan đã cho phép con người xây dựng thành công các công trình ở độ sâu đến 412m nước (Công trình Bullwinkle), cùng 6 giàn khai thác ở vùng nước sâu (d>303m) như trong hình1.2 [10]

Hình 1.2: Các công trình biển cố định đã được xây dựng ở vùng nước sâu

1.1.5 Tình hình ứng dụng và triển vọng phát triển loại công trình biển cố định bằng thép để khai thác dầu khí ở Việt Nam[1, 8, 10]

Ứng dụng công trình biển cố định bằng thép ở Việt Nam:

Việt Nam xây dựng giàn cố định bằng thép đầu tiên vào năm 1983 tại mỏ Bạch Hổ thuộc vùng biển ngoài khơi tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu Đây là mỏ dầu được khai thác đầu tiên của Việt Nam với độ sâu nước xấp xỉ 50m, gồm các giàn khai thác kiểu (MSP) loại 2 chân đế và loại một chân đế với 8 ống chính, các giàn đầu giếng (BK), các giàn người ở… Sau gần 30 năm hoạt động cho tới nay ngành dầu khí biển Việt Nam đã phát triển với nhiều mỏ mới được phát hiện và khai thác ở các

độ sâu nước từ 40m đến 135m và với khoảng 70 công trình biển cố định bằng thép kiểu jacket ở các vùng mỏ thuộc bể Cửu Long, Nam Côn Sơn, và vùng chồng lấn Tây Nam Ngành xây dựng công trình biển ở Việt Nam phát triển đồng bộ bao gồm

bộ phận thiết kế, thi công và khai thác với các cơ sở hạ tầng phát triển (nhiều bãi lắp ráp chuyên dụng, nhiều nhà máy thi công chế tạo kết cấu chân đế giàn khoan), thiết

bị máy móc phục vụ thi công phát triển (nhiều cần cẩu loại lớn, nhiều phương tiện nổi hiện đại, nhiều máy móc, thiết bị hiện đại) Kết quả đã đạt được của ngành Xây dựng Công trình biển ở Việt Nam cho thấy rằng đội ngũ kỹ sư xây dựng công trình

biển đã có kinh nghiệm và khả năng trong việc thiết kế, xây dựng các công trình biển cố định bằng thép ở các vùng nước với độ sâu nước tới 150m

Triển vọng và xu thế phát triển:

Ngành khai thác dầu khí biển Việt Nam đã và đang phát triển mạnh, tuy nhiên cho tới nay chúng ta mới chỉ thăm dò và khai thác một phần rất nhỏ tiềm năng của dầu khí biển vì vậy ngành công nghiệp dầu khí của Việt Nam cũng như ngành xây dựng công trình biển có một triển vọng phát triển rất mạnh trong tương lai

Việc phát triển thăm dò, tìm kiếm và khai thác dầu khí ở các vùng mỏ xa bờ

có độ sâu nước lớn hơn trên thềm lục địa Việt Nam và các vùng biển xa là tất yếu Trong tương lai gần việc nghiên cứu, xây dựng các công trình biển phục vụ khai thác dầu khí ở độ sâu 150m đến 200m nước là một nhiệm vụ cấp bách đòi hỏi phải

sử dụng các phương pháp tính toán hiện đại, mục tiêu của luận án cũng nhằm đáp ứng nhu cầu này

1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng các phương pháp đánh giá an toàn kết cấu jacket trong các tiêu chuẩn hiện hành

Việc tính toán thiết kế và đánh giá an toàn cho kết cấu công trình biển được thực hiện theo các tiêu chuẩn chuyên ngành Trong số đó tiêu chuẩn DnV, tiêu chuẩn API, tiêu chuẩn ISO là các tiêu chuẩn được công nhận và sử dụng rộng rãi

1.2.1 Các phương pháp đánh giá an toàn sử dụng trong tiêu chuẩn hiện hành 1.2.1.1 Phương pháp đánh giá theo các trạng thái giới hạn

Các tiêu chuẩn hiện hành đánh giá an toàn kết cấu dựa trên các trạng thái giới hạn cơ bản như sau:

- Trạng thái giới hạn chịu lực cực đại (ULS):

o Phương pháp ứng suất cho phép (WDS/ASD): ứng suất lớn nhất trong

kết cấu do tải trọng thiết kế gây ra không được vượt quá ứng suất cho

phép của vật liệu [14, 27];

o Phương pháp các hệ số thành phần (LRFD): ứng suất lớn nhất trong kết

cấu do các tải trọng gây ra (tải trọng có hệ số tương ứng) không được vượt quá sức chịu tải cực hạn của kết cấu [15]

- Trạng thái giới hạn chịu mỏi (FLS):

Tác động lặp lại nhiều lần của tải trọng sóng gây ra tổn thất mỏi trong vật liệu kết cấu, những tổn thất này tích lũy dần theo thời gian đến làm xuất hiện vết nứt và dẫn đến phá hủy Đánh giá an toàn theo trạng thái giới hạn mỏi được thực hiện cho

hai giai đoạn như sau[6, 7, 9]:

o Kiểm tra theo tỷ số tổn thất mỏi cho phép: tỷ số tổn thất mỏi tích lũy trong kết cấu từ thời điểm xây dựng đến thời điểm kiểm tra không được

vượt quá tỷ số tổn thất tích lũy cho phép (mỏi ở giai đoạn 1);

o Kiểm tra theo vết nứt cho phép: vết nứt phát triển trong kết cấu không được vượt quá vết nứt cho phép (mỏi ở giai đoạn 2 và giai đoạn 3)

- Các trạng thái giới hạn khác: ngoài các trạng thái giới hạn trên kết cấu

jacket cần được kiểm tra với các trạng thái giới hạn về điều kiện sử dụng (SLS),

trạng thái giới hạn sự cố (ALS), trạng thái giới hạn phá hủy lũy tiến (PLS)…

Trong luận án này chỉ nghiên cứu hai trạng thái giới hạn cơ bản nhất liên quan đến độ bền của kết cấu đó là giới hạn cực đại (ULS) và trạng thái giơi hạn về mỏi (FLS)

1.2.1.2 Phương pháp đánh giá theo độ tin cậy [18, 27]

Đánh giá theo độ tin cậy là một phương pháp hiện đại đang được đẩy mạnh nghiên cứu và bước đầu đã được các quy phạm DnV, ISO và API đưa vào áp dụng trong thực tiễn

Điều kiện an toàn của kết cấu được đánh giá bằng xác suất an toàn, xác suất an toàn tính toán phải lớn hơn xác suất an toàn cho phép (độ tin cậy phải lớn hơn độ tin cậy cho phép) hoặc xác suất phá hủy phải nhỏ hơn xác suất phá hủy cho phép Độ

tin cậy được đánh giá theo trạng thái giới hạn ULS (gọi là độ tin cậy theo điều kiện

bền ) và theo trạng thái giới hạn FLS (gọi là độ tin cậy theo điều kiện mỏi)

Phương pháp độ tin cậy có tiến bộ là đã kể được các yếu tố ngẫu nhiên ảnh hưởng đến an toàn của kết cấu mà các phương pháp khác không kể đến một cách thích hợp được

1.2.2 Nhận xét về các phương pháp đánh giá an toàn sử dụng trong các tiêu

chuẩn hiện hành

Các tiêu chuẩn thiết kế nêu trên liên tục được cập nhật theo các kết quả nghiên cứu mới nhất về mọi lĩnh vực liên quan để có được các quy định, các yêu cầu và các chỉ dẫn tốt nhất cho người sử dụng

Cho đến nay dù đã có nhiều thay đổi cập nhật nhưng các phương pháp đang sử dụng trong các tiêu chuẩn vẫn còn tồn tại một số vấn đề kỹ thuật thực tế như sau:

- Khi kiểm tra an toàn theo điều kiện bền thì chỉ quan tâm đến cường độ ứng

suất do bão mà không quan tâm đến thời điểm xảy ra bão, tức là coi khả năng chịu

lực của kết cấu là không đổi theo thời gian (nói cách khác, độ tin cậy theo điều kiện bền luôn là hằng số) Nhưng trong thực tế, tại thời điểm xảy ra bão cực đại, công trình đã khai thác được một thời gian nhất định (Hình 1.3), trong khoảng thời gian

đó công trình đã chịu tác động của sóng thường xuyên và có tích lũy tổn thất mỏi tại

các điểm nóng (Hình 1.4) làm suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu dẫn đến độ

tin cậy theo điều bền suy giảm theo thời gian;

- Trong bài toán kiểm tra mỏi, do không thể có được số liệu sóng xảy ra trong

tương lai vì vậy phải sử dụng số liệu sóng trung bình 1 năm tính từ các số liệu đo sóng trong một số năm trong quá khứ để tính mỏi, coi tuổi thọ mỏi ở các năm là như

nhau và tính cho toàn bộ đời sống công trình Số liệu sóng để tính mỏi lấy theo cách này không bao gồm hết được các sóng có biên độ lớn có thể xảy ra với công trình (sóng bão) Các con sóng bão dù xảy ra không thường xuyên nhưng có biên độ ứng suất lớn sẽ gây ra một lượng tổn thất mỏi nhất định làm cho tổn thất mỏi tổng cộng

tăng nhanh hơn so với cách tính thông thường dẫn đến độ tin cậy theo điều kiện

mỏi giảm nhanh hơn Đặc biệt theo tình hình biến đổi khí hậu hiện nay số lần xảy ra

bão lớn ngày một nhiều hơn

1.2.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế

Tình hình các nghiên cứu trên thế giới và trong nước nhằm giải quyết vấn đề đặt ra ở trên được tổng kết như sau:

1.2.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trong lĩnh vực kết cấu công trình biển, ảnh hưởng của hiện tượng mỏi đến khả năng chịu lực của kết cấu đã được một số tác giả nghiên cứu, tuy nhiên mới chỉ tập trung vào giai đoạn mỏi ở giai đoạn 2 và giai đoạn 3 của phá hủy mỏi (giai đoạn phát triển vết nứt) [33, 54]

Ảnh hưởng của bão cực đại đến tổn thất mỏi của kết cấu chưa được đề cập đến

trong các tính toán mỏi hiện hành

1.2.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Năm 2010, GS Phạm Khắc Hùng đã đề xuất một hướng mới để đánh giá an

toàn cho các loại kết cấu công trình biển dựa trên phương pháp sử dụng mô hình xác suất để đánh giá ảnh hưởng tương tác của tổn thất mỏi giai đoạn 1 đến độ bền

và ảnh hưởng của bão cực đại đến tổn thất mỏi trong kết cấu

Phương pháp này đã được đề xuất trong quá trình nghiên cứu đề tài cấp nhà

nước KC.09.15/06-10 do GS Phạm Khắc Hùng chủ nhiệm, đã được nghiệm thu và

đánh giá đạt kết quả xuất sắc Phương pháp này cũng đã được áp dụng trong một luận án tiến sỹ về kết cấu dây neo được bảo vệ thành công tại trường Liège – Bỉ

4/2010 [3] và GS Phạm Khắc Hùng đã được cấp bằng độc quyền sáng chế Một

phần của sáng chế lần đầu đã được công bố tại Tạp chí KHCN Biển số 3 năm 2010

với đầu đề là “ Xây dựng điều kiện bền mở rộng để xác định độ tin cậy tổng thể đánh giá an toàn của kết cấu công trình biển cố định bằng thép, áp dụng cho điều kiện biển nước sâu Việt Nam” [2, 3] Các kết quả ngiên cứu này của GS

Phạm Khắc Hùng hiện nay trong nước và trên thế giới chưa có tài liệu nào được công bố liên quan

Hình 1.3: Các trạng thái biển tác động lên công trình

Hình 1.4: Điểm nóng kiểm tra bền và kiểm tra mỏi tại đầu ống

Nhận xét:

- Các tiêu chuẩn thiết kế công trình biển hiện hành yêu cầu an toàn về mỏi là

không xuất hiện vết nứt trong kết cấu, đồng nghĩa với việc phải tính toán mỏi ở giai đoạn 1

- Việc sử dụng các phương pháp cơ học thông thường để tính ảnh hưởng của hiện

tượng mỏi trong giai đoạn này đến khả năng chịu lực của kết cấu là không khả thi, các phương pháp tính theo mô hình xác suất là thích hợp hơn

- Phương pháp của GS Phạm Khắc Hùng là một phương pháp tổng quát cho

phép đánh giá được ảnh hưởng của tổn thất mỏi ở giai đoạn 1 đến độ bền của kết cấu thông qua phép tính xác suất, tuy nhiên mới chỉ dừng lại ở nguyên lý chung và cần triển khai thêm cho từng loại công trình cụ thể

1.3 Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án

1.3.1.1 Nguyên lý tổng quát để đánh giá an toàn của các loại kết cấu công trình

biển theo sáng chế của GS Phạm Khắc Hùng

GS Phạm Khắc Hùng đã đưa ra định nghĩa về “Điều kiện bền mở rộng” -

là điều kiện kiểm tra bền có kể đến ảnh hưởng của tổn thất mỏi đã tích lũy trong kết

cấu và “Điều kiện mỏi mở rộng”- là điều kiện mỏi do tích lũy của sóng dài hạn có

kể thêm tổn thất mỏi do sóng cực đại gây ra

- Kiểm tra theo điều kiện bền mở rộng: an toàn của kết cấu tại điểm xét được

đánh giá bằng độ tin cậy, độ tin cậy theo điều kiện bền mở rộng ... tiến hành nghiên cứu hoàn thành luận án với tên đề

tài l? ?: ? ?Nghiên cứu suy giảm độ tin cậy theo thời gian kết cấu chân đế cơng trình biển cố định thép ảnh hưởng tổn thất mỏi? ?? ... sóng biển gây

- Xác định độ tin cậy kết cấu theo điều kiện bền mỏi

- Nghiên cứu suy giảm theo thời gian độ tin cậy kể đến ảnh hưởng tổn thất mỏi tổn thất mỏi bão cực hạn gây