đồ án công trình biển cố định 1 thiết kế kết cấu chân đế công trình biển cố định bằng thép

- Ưu điểm : + Thép là loại vật liệu có cường độ cao kích thước tương đối nhỏ , vì vậy kết cấu có trọng lượng và kích thước tương đối nhỏ dẫn đến tải trọng sóng tác động lên công trình

ĐỒ ÁN CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH 1

THIẾT KẾ KẾT CẤU CHÂN ĐẾ CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP

I ) TỔNG QUAN

1 ĐẶC ĐIỂM CÔNG TRÌNH

Công trình biển bằng thép là công trình có vật liệu làm chủ yếu làm bằng thép Công trình làm

việc như một khung không gian, các tải trọng được truyền vào nền đất thông qua các móng

cọc đóng sâu vào nền đất

- Ưu điểm :

+ Thép là loại vật liệu có cường độ cao kích thước tương đối nhỏ , vì vậy kết cấu có trọng lượng

và kích thước tương đối nhỏ dẫn đến tải trọng sóng tác động lên công trình nhỏ

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

+ Có thể áp dụng cho phần lớn các điều kiện địa chất

+ Thời gian thi công nhanh nhưng đòi hỏi về phương tiện và bến bãi thi công trên bờ

- Nhược điểm :

+ Thép là loại vật liệu đắt tiền

+ Đòi hỏi phải duy tu và bảo dưỡng thường xuyên để khắc phục hậu quả do ăn mòn và nứt do

mỏi

+ Thời gian thi công ngoài biển kéo dài và đòi hỏi phải có nhiều thiết bị chuyên dụng của

ngành Phải trải qua 2 giai đoạn: Giai đoạn 1 là thi công lắp giáp , giai đoạn 2 và vận chuyển hạ thuỷ đánh

chìm và cố định ngoài biển Do đó tồn tại nhiều rủi ro khi thi công

2 ) SỐ LIỆU ĐẦU VÀO

6 ) Vận tốc dòng chảy đáy lớn nhất ( chu kỳ lặp 100 năm ):

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

2 Độ sâu đáy lớp đất ( tính từ h 1= 19m h 2=39m h 3= Vô hạn

đáy biển trở xuống )

Đặc trưng cơ lý của vật liệu thép :

- Khối lượng riêng gt=7.85 ( T/m3 )

- Cường độ chảy Fy= 44.8 ( Mpa )

- Modun đàn hồi E = 2.1x106 ( kG/m2 )

+ Liên kết hàn :

- Que hàn loại N 42

- Cường độ chịu nén hàn đối đầu Rhn=2100 ( kG/m2 )

- Cường độ chịu kéo hàn đối đầu Rkh =2100 ( kG/m2 )

- Cường độ chịu cắt hàn đối đầu Rch =1800 ( kG/m2 )

10 ) Tải trọng thượng tầng :

Chức năng của dàn nhẹ là khai thác vận chuyển sản phẩm của giếng bằng hệ thống đường ống

dẫn sang dàn công nghệ trung tâm , dẫn nước ép vỉ và chức năng quản lý đầu giếng

II) XÂY DỰNG VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU CHÂN ĐẾ

Chọn 2 hướng sóng tác động vào công trình để tính toán và kiểm tra kết cấu chân đế

+ Hướng 1 : là hướng có chiều cao sóng lớn nhất ( ĐÔNG BẮC - NE ) :

H = 16.1 ( m ) ; T = 14.1 ( s ) ( Chu kỳ lặp 100 năm )

+ Hướng 2 : là hướng tác dụng theo phương của chéo của diafrargm ( BẮC - N ) :

H = 10.8 ( m ) ; T = 10.3 ( s ) ( Chu kỳ lặp 100 năm )

c ) Xác định hướng tác dụng của dòng chảy

Hướng gió tác dụng trùng với hướng sóng tác dụng :

+ Theo hướng ĐÔNG BẮC : V3s ( 100 năm ) = 58.1 m/s

+ Theo hướng BẮC : V3s ( 100 năm ) = 44.7 m/s

2 ) XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU CHÂN ĐẾ

Phương án kết cấu chân đế phụ thuộc vào các yếu tố :

+ Địa chất công trình

+ Độ sâu nước thiết kế , mực nước cao nhất

+ Phương pháp thì công và các thiết bị thi công trên bờ và ngoài khơi

a) Lựa chọn hướng đặt công trình

Hướng đặt công trình phụ thuộc vào những yếu tố như sau :

+ Hướng tải trọng môi trường cực hạn

+Chức năng chính của dàn ( dàn công nghệ, dàn khai thác, )

+ Thuận lợi cho việc bố trí giá cập tàu để giảm tối đa tải trọng do môi trường tác động khi

cập tàu hoặc tác động trực tiếp lên tàu

Trong đồ án này ta chỉ xét đến yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất là tải trọng do môi trường để

bố trí hướng đặt công trình

Công trình đặt theo hướng có chiều cao sóng lớn nhất ĐÔNG BẮC Hướng ĐÔNG BẮC sẽ đi

qua trục đối xứng của công trình Bố trí như vậy khi tải trọng của môi trường cực đại thì sự chịu lực của 4

ống chính sẽ đồng đều hơn Thường 2 ống gần hướng sóng tới chịu nhổ, 2 ống xa hướng sóng tới chịu

nén

Sơ đồ bố trí như sau :

b) Xác định các kích thước tổng thể

+ Kích thước đỉnh của kết cấu chân đế : 18x18 (m)

+ Xác định chiều cao công trình

Z1 : Khoảng cách đảm bảo thi công lắp đặt khung chịu lực Chọn Z1= 2( ) m

+ Khoảng cách từ mặt đáy biển đến điểm W.P –working point

Suy ra bề rộng đáy dưới 2 2 85.2 18 39.55

+ Góc tạo bởi các thanh xiên với ống chính nằm trong khoảng 300- 600 để đảm bảo thao tác hàn , đánh

sạch , mài nhẵn các mối hàn và các mép vát ống , thuận lợi cho việc sử dụng các thiết bị kiểm tra kỹ

thuật bằng siêu ân cho các mối hàn tại liên kết nút

+ Phụ thuộc vào kích thước khối chân đế

+ Phụ thuộc vào chủng loại thép ống dùng để chế tạo KCĐ

+Phụ thuộc vào số lượng ống chính

+Mặt ngang D1 được bố trí để làm sàn công tác khi đóng cọc và thường được bố trí nằm trên mực nước

triều cường 1.5 -2 (m) Theo tính toán ở trên ta có HD1=84.2 (m) ( Tính từ đáy biển làm gốc toạ độ )

d) Khung đánh chìm : Do đề bài yêu cầu phương án đánh chìm là launching, bố trí 2 ống launching ở

trước Panel P1, khoảng cách 16m (xem sơ đồ ở sau) với giả thiết bãi thi công và xà lan có 2 đường trượt

phù hợp với khoảng cách này

e) Cọc : Do yêu cầu đề bài là cọc váy, ta sơ bộ chọn phương án cọc váy đóng theo phương đứng

3) XÁC ĐỊNH SƠ BỘ KÍCH THƯỚC CÁC THANH

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

500

-Các thanh được 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 thường cao hơn yêu cầu về độ bền Vì vậy khi ta chọn sơ bộ thanh

ngoài dựa vào kinh nghiệm của các công trình tương tự người ta thường lựa chọn theo độ mảnh 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 thước thanh ngang và thanh xiên như sau :

b) Kiểm tra độ mảnh của các than h

Việc chọn các thanh phải đảm bảo giữ gìn được sự ổn định cục bộ và ổn định tổng thể dưới

điều kiện môi trường khai thác và điều kiện môi trường cực trị Đối với các phần tử kết cấu

dạng ống , chọn theo độ mảnh cho phép Độ mảnh của thanh ống được xác định như sau :

k l .

r

l = Trong đó :

k : là hệ số quy đổi chiều dài phụ thuộc vào điều kiện liên kết tại 2 đầu thanh:

Đối với ống chính k = 1.0

Đối với ống xiên và ống ngang, ống launching k = 0.8

Đối với ống ngang phụ k = 0.7

l : là chiều dài phần tử đoạn thanh, được xác định bằng khoảng cách giữa 2 tâm nút

r J

A

= : Là bán kính quán tính của tiết diện Trong đó :

J : là mômen quán tính của tiết diện ống

A : Diện tích mặt cắt ngang của ống

Ta có bảng chọn sơ bộ tiết diện thanh , và kết quả kiểm tra độ mảnh của các thanh như

sau: ( ở đây trình bày các thanh dài nhất, bảng đầy đủ xem phụ lục )

Kiểm tra các thanh theo độ mảnh - Các thanh dài nhất

* Từ các lựa chọn sơ bộ trên ta lập phương án có sơ đồ bố trí kết cấu như sau :

D2 D1

812.8x25.4x39425

720x20.6x33175 660x20.6x27675 610x15.6x22675 610x15.6x18500

1000x25 4x44076

91 0x25 4x 37546

812.8x25 4x

32152

720x20.6x

910x25.4x37546

72

20.6x26509

15.6x97

1000 x25 4x44076

91 0x25.4x375 46

812.8 x25.4x32152

720 6x26509

720 6x26509

D2

D1

610x15.6x 9769

610x15.6x9769

39550

58 0x1

P1 P2

1818 970

15.6x13581

58

15.6x13581

580 x1

580 x15 6x13581

580 6x1 35

580x15 6x13581

580x 15 6x13581

580x15 6x13581

4 ) BÀI TOÁN TÍNH DAO ĐỘNG RIÊNG

a) Mục đích, ý nghĩa của việc tính dao động riêng

- Mục đích: Việc tính toán dao động riêng của công trình nhằm đánh giá sự ảnh hưởng

động do tải trọng môi trường tác dụng lên công trình

- Ý nghĩa:

+ Xác định chu kì, tần số dao động riêng

+ Kiểm tra xem có xảy ra hiện tượng cộng hưởng không

+ Xác định hệ số Kđ

+ Xác định các dạng dao động riêng chính để kiểm tra sơ đồ làm việc và khống

chế việc tính toán tải trọng sóng

b) Sơ đồ tính:

Sơ đồ tính của hệ được mô tả dưới dạng khung không gian, liên kết giữa hệ kết

cấu bên trên và môi trường đất được coi là ngàm

Trong đồ án chọn theo tài liệu của phương Tây, ta có độ sâu ngàm giả định xác định như sau:

D0 = (3.4 – 4.5).D - Trường hợp đất sét

D0 = (7 – 8,5).D - Trường hợp đất phù sa

D0 = 6.D - Trường hợp đất tại nơi xây dựng chưa xác định cụ thể

D là đường kính ngoài của cọc : D = 1.20 ( mm) (Sẽ được trình bày sau ở phần tính toán

cọc)

D0 = 6 x 1.2 = 7.2 ( m )

c) Tính toán các loại khối lượng:

1) Khối lượng thượng tầng:

Theo số liệu đã cho:

Tổng khối lượng thượng tầng : G = 1400 (T)

Tổng khối lượng thượng tầng được phân bố cho 4 nút tại 4 đỉnh của khung sàn chịu lực

(tải trọng này tác dụng lên khối chân đế là tải trọng tĩnh)

M/4 = 1400 / 4 = 350 (T)

2) Khối lượng bản thân kết cấu : Đặt cho SAP2000 tự tính toán

+ Khối lượng bản thân kết cấu : 2429.431 (T)

3) Xác định khối lượng hà bám tại thanh ( tính từ MNTB trở xuống)

Khối lượng hà bám của thanh thứ i là :

mh (i) = rh.Ahi.Li

rh: Khối lượng riêng của hà bám (rh = 1600 kg/m3)

Ah: Diện tích của hà bám được tính theo công thức:

Ahi = .(( 2 )2 2) / 4

i

D t

-p

Với Di: Đường kính cọc

ti: Chiều dày hà bám

Li: Chiều dài thanh

Khối lượng hà bám cho từng thanh qui về 2 nút 2 đầu như một dầm đơn giản

4) Khối lượng nước kèm của các thanh ngập nước:

Nước kèm là lượng nước bám vào thành ống khi kết cấu có chuyển vị Để xác

định khối lượng nước kèm ta tính từ MNCN xuống đáy biển

Khối lượng nước kèm tại thanh thứ i được tính theo công thức sau:

Đối với vật chắn trơn: Cm=1.6 + Vi – thể tích ống ngập nước, tính với cả đường kính ống có chiều dày hà bám

Vi = ( p ( Di + 2 ti)2/ 4 ) Li

Khối lượng nước kèm cho từng thanh qui về 2 nút 2 đầu như một dầm đơn giản

5) Khối lượng nước trong ống chính :

Tính khối lượng nước trong ống với MNCN Nước trong ống nằm trong các

Dc, δ: Là đường kính và chiều dày của cọc

Khối lượng nước trong ống chính cho từng thanh qui về 2 nút 2 đầu như một dầm đơn giản

d) Tính dao động riêng:

Với sơ đồ kết cấu và tiết diện các thanh đã chọn, sau khi tính được khối lượng thượng

tầng, khối lượng vữa bơm trám, khối lượng nước kèm, hà bám, nước trong cọc ta tiến hành quy

đổi khối lượng về nút và nhập vào SAP để tính dao động riêng

Kết quả về khối lượng như sau:

+ Khối lượng bản thân kết cấu : 2429.431 (T)

+ Bảng tổng hợp khối lượng hà bám; nước kèm; nước trong ống chính qui về nút :

BẢNG TỔNG HỢP KHỐI LƯỢNG QUI VỀ NÚT

Kết quả tính dao động riêng như sau:

3

CHU KÌ DAO ĐỘNG RIÊNG CỦA KẾT CẤU Dạng dao động

12

101112

T (s)

2.8639582.8507041.9779681.8697031.46778

456789

1.134806

1.4506651.4395681.2317451.2051251.1960041.161264

+ Ta thấy chu kỳ dao động riêng của công trình Trmax = 3s và nhỏ hơn so với chu kỳ tải

trọng của sóng, gió do đó ảnh hưởng của tải trọng động là nhỏ không đáng kể so với tải trọng

tĩnh Lựa chọn bài toán giải theo phương pháp tựa tĩnh, việc đánh giá ảnh hưởng tính chất động

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

2 1

1

2 2

2

÷÷

ø

ö çç

è

æ + ú

ú û

ù ê

ê ë

é

÷÷

ø

ö çç è

æ -

=

=

r r r

t

o d

u

u k

w

w w

e w

w

Trong đó:

uo – Biên độ của chuyển vị động

ut – Chuyển vị cực đại do tác dụng tĩnh của tải trọng

- Là tần số của một dạng dao động riêng

Tkc – Chu kỳ dao động riêng của kết cấu

e/wr – Hệ số giảm chấn lấy bằng 0,08

Tổng cộng tất cả các tải trọng đứng của phần thượng tầng có giá trị là P, tải trọng P

được phân chia cho 4 nút tại 4 đỉnh của khung sàn chịu lực với giá trị P/4, phương tác dụng

hướng xuống, tải trọng này tác dụng lên công trình là tải trọng tĩnh:

P/6 = 1400 / 4 = 350 (T)

2) Xác định tải trọng đẩy nổi:

Công thức xác định tải trọng đẩy nổi:

D

A = p

Với Di là đường kính ngoài của phần tử thứ i có kể đến hà bám

li: Chiều dài phần tử thứ i

gnn = 1.025 (T/m3), Trọng lượng riêng đẩy nổi

2) Tải trọng bản thân :

Khối lượng bản thân của một thanh là :

mbt(i) =rs As Li

Trong đó:

+ Lij - chiều dài thanh thứ i , m

+ Asi - diện tích tiết diện của thanh thứ i , m2

Với Asi = [p.( Di2 -(Di - 2.di)2)]/4

+ Di , di - đường kính ngoài và bề dầy của thanh thứ i

+ rs - Trọng lượng riêng của vật liệu làm thanh kết cấu, với vật liệu thép rs = 7850 kg/m3

Ta có giá trị trọng lượng bản thân kết cấu: 2429.431 (T)

3) Tải trọng do hà bám:

Xác định khối lượng hà bám của thanh tính từ MNCN xuống đáy biển

* Khối lượng hà bám tại thanh thứ i là :

mh (i) = rh.Ahi.Li

rh: khối lượng riêng của hà bám (rh = 1600 kg/m3)

Ah: Diện tích của hà bám được tính theo công thức:

Ahi = .(( 2 )2 2) / 4

i

D t

-p

Di: đường kính cọc

t: chiều dầy của hà bám

Li: chiều dài của ống có hai đầu là nút

Tổng tải trọng do hà bám là 1449.6176 (T)

Tính tải trọng do gió tác dụng lên phần công trình nằm phía trên mực nước tĩnh Bản

chất của tải trọng gió là động, nhưng qua thực nghiệm cho thấy rằng thành phần động của gió

đối với kết cấu Jacket ở vùng nước vừa và nông là không đáng kể, mặt khác tải trọng gió chỉ

chiếm khoảng ≈ 10% tổng tải trọng môi trường 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

A C V

Trong đó:

F: Là lực gió đã tác dụng lên kết cấu (N)

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

10

1 10

n z

Z V

ø

ö ç è

æ

= A: Hình chiếu diện tích của vật cản lên phương vuông góc hướng gió (m2)

Cs : Hệ số khí động (Xác định theo quy phạm)

Kết cấu dầm, nhà tường đặc 1.5 Kết cấu trụ tròn 0.5

Quy đổi vận tốc gió trung bình đo trong 3s sang vận tốc gió trung bình đo trong 1h

10 10 )

a, b: Hệ số lũy thừa, hệ số giật của gió ở độ cao 10m

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

- Phần mô tả sơ đồ tính tải trọng gió:

Gồm tải trọng gió lên kết cấu chân đế trên mực nước tĩnh và tải trọng gió lên phần

thượng tầng

Sau khi tính được tải trọng gió ở các thành phần kết cấu Fi, ta qui đổi chúng thành

các lực tập trung Qnix, Qniy, tập trung tại 4 đỉnh khối chân đế và một mômen Mg được qui

thành các cặp ngẫu lực tại 4 đỉnh khối chân đế Q x

Kết quả :

5) Tải trọng sóng + dòng chảy :

Tác động của dòng chảy lên công trình được biểu diễn yếu tố vận tốc Vận tốc

dòng chảy, trong thực tế tính toán được xem là một đại lượng 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 được

coi là tải trọng tĩnh Khi tính đồng thời tác động của sóng và dòng chảy, thì ảnh hưởng của dòng

chảy được bổ sung vào thành phần vận tốc của tải trọng sóng Vì thành phần tải trọng do vận

tốc gây ra có chứa bình phương vận tốc nên sự tham gia của dòng chảy làm tăng đáng kể cho

tải trọng sóng

Tác động của sóng lên công trình biển mang bản chất động và là trội tuyệt đối

trong tổng tải trọng ngang tác dụng lên kết cấu khối chân đế

Tùy theo tính chất của lực sóng tác dụng mà các phần tử cuả kết cấu ngoài biển

được chia thành vật thể mảnh và vật thể có kích thước lớn Đối với vật thể mảnh thì lực quán

tính và lực cản của sóng là đáng kể, còn đối với vật thể lớn thì ảnh hưởng của nhiễu xạ lại đóng

vai trò quyết định

Công trình biển cố định bằng thép kết cấu kiểu Jacket là công trình có kích thước

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 được tính toán theo công thức Morison dạng chuẩn tắc

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