Tính toán chuyển vị ngang của giàn khoan tự nâng pot

Đinh Quang Cường Viện xây dựng công trình biển-ĐHXD Nguyễn Ngọc Vinh Hiển - 48 CLC-IH Calculation the horizontal displacement of Jack-up units Tóm tắt Bài báo đưa ra công thức xác đ

tính toán chuyển vị ngang của giàn khoan tự nâng (jackup)

PGS.TS Đinh Quang Cường

Viện xây dựng công trình biển-ĐHXD

Nguyễn Ngọc Vinh Hiển - 48 CLC-IH

Calculation the horizontal displacement of Jack-up units

Tóm tắt

Bài báo đưa ra công thức xác định chuyển vị ngang của kết cấu móng đỡ chân đế các giàn

jackup (Spudcan) khi tính toán Jackup, từ đó tính được hệ số nền và giải bài toán làm việc đồng

thời của Spudcan với đất nền Phương pháp này sử dụng các phương trình cân bằng lực và các kết

quả nghiên cứu gần đây về quan hệ tải trọng và biến dạng của nền có kể đến kích thước của

Spudcan

Summary

The purpose of this science article is to give the recommended function to calculate

the displacement of Spudcan of Jack up and suggest the practice method to design Jackup

structure based on interaction between soil and Spudcan during the operation of Jackup

The recommended function would be based on force equation of equilibrium and the recent

science result of seabed properties

1 đặt vấn đề

Khi mô hình hoá kết cấu để tính toán kết cấu jackup, liên kết nối đất của hệ kết cấu thường

được mô tả là ngàm cứng hoặc ngàm đàn hồi Độ cứng của các lò xo đàn hồi thường được xác định

bằng các công thức trong các quy phạm [5], [6], không đặc trưng cho bất kỳ hình dạng nào của

Spudcan

Bài báo này giới thiệu một phương pháp xác định chuyển vị ngang của Spudcan Các công

thức về địa kỹ thuật công trình biển được kham khảo và trích dẫn từ kết quả nghiên cứu của

Butterfield and Houslsby [1]

2 Tính toán chuyển vị ngang

Các giả thiết:

- Kết cấu khối thượng tầng của jackup

(Hull) tuyệt đối cứng, vật liệu đàn hồi

tuyến tính

- Khi không kể đến sự ảnh hưởng của

tải trọng sóng và gió tác động lên

kết cấu jackup thì tải trọng thượng

tầng (W) được chia đều cho ba

Spudcan - hình 2

- Tải trọng ngang (do sóng và gió) kí

hiệu là HT được đặt tại toạ độ

L * =L+S+Y, các khoảng cách L,S,Y

được đánh dấu và kí hiệu như trên

hình 2

- Trong mặt bằng ba chân đế được sắp xếp theo hình tam giác đều Chân 2 và 3 ở vị trí đối

xứng qua đường trung tuyến từ đỉnh là chân 1, giả thiết chân 2 và chân 3 có chuyển vị và

chịu tải trọng như nhau

- Bỏ qua chuyển vị xoay của spudcan so với đáy biển khi chịu tải trọng ngang

Hình 1: Jackup & các ngoại lực tác dụng lên jackup

Xét hệ kết cấu cho trên hình 1, với các giả thiết nêu trên đây thì Hull chỉ dịch chuyển

ngang song song với đáy biển dưới tác dụng của tải trọng ngang HT, chuyển vị này được kí

hiệu là hHull Các giá trị chuyển vị ngang tương đối khác bao gồm: chuyển dịch ngang của

các móng đỡ chân đế lần lượt là h1, h2, h3 và chuyển vị tương đối giữa thượng tầng (Hull) và

chân đế (Spudcan) lần lượt là δ1, δ2 , δ3 - xem kí hiệu trên hình 3

23 23 1

1+δ = +δ

trong đó: h23=h2=h3; δ23 = δ2 = δ3

2.1 Tính toán chuyển vị ngang tương đối của Hull và Spudcan

Xét cân bằng lực đứng và lực ngang - hình 2, ta được:

23

1 2H

H

23

1 2V

V

trongđóH23 =H2 =H3; V23 =V2 =V3

Xét cân bằng mômen tại điểm thích hợp

trên Spudcan, ta suy ra được phương trình xác

định các phản lực tại Spudcan, các chú giải và

dấu qui ước được ghi trên hình 2, chú ý rằng δ1

và δ2 có thể khác nhau Phương trình xác định

các phản lực đứng V1, V23=V2=V3 được viết như

sau:

*

23 23 1

1 23 1 23

T

V

δ

δ δ

=

*

23

1 23 1 23

T

V

δ

δ δ

=

Với D là khoảng cách trên hình chiếu

bằng giữa chân 1 và chân 2,3 - hình 1 và

L*=L+S+Y - hình 2 Kí hiện e1=M1/V1 là độ

lệch tâm của phản lực tại tại chân 1, tương tự

cho e2 và e3

Góc xoay θi của Spudcan có quan hệ với mô men Mi và độ cứng chống xoắn KRS,i -

như sau - hình 4:

Hình 2: Sơ đồ tổng thể tính toán Jackup

Hình 3: Sơ đồ tính chuyển vị thẳng và chuyển

vị xoay của Jackup

Chuyển vị ngang tương đối của chân theo phương y so với điểm nối giữa chân và Spudcan phải thỏa mcn phương trình đàn hồi sau - hình 4:

2

2

dx = + ư ư (7)

trong đó EI là độ cứng chống uốn

Tích phân phương trình (7) theo x, xác định góc xoay dy/dx tại x=L, thay giá trị góc xoay tại x=L cho mô men trong phương trình 6 và thu gọn kết quả ta được:

2

,

.(1 2 )

i i

RS i

θ =   +

+

Tích phân phương trình (7) hai lần, xác định chuyển vị tương đối tại x=L, quan tâm

đến chuyển vị xoay tương đối θi – hình 4, thay chuyển vị xoay tương đối tại x=L cho chuyển

vị xoay trong phương trình 8, ta được:

3

2

,

i i

RS i

S L

δ =  +   + 

+

Hình 4: Sơ đồ tính chân Jackup chịu uốn

2.2 Tính toán chuyển vị ngang của Spudcan - bài toán trượt ngang

ứng dụng các kết quả nghiên cứu của Dean và Stukamoto [2], mối quan hệ giữa mô men tại Spudcan với đường kính Spudcan và tải trọng đứng truyền lên Spudcan - hình 5, như sau:

1/ 2

2

(10)

trong đó:

- B là đường kính của Spudcan hình tròn;

- VMi Khả năng chịu lực theo phương đứng hiện tại của móng;

- α và β là các đại lượng hằng số không thứ nguyên phụ thuộc vào hình dáng Spudcan và hệ số ma sát giữa Spudcan với nền Các đại lượng không thứ nguyên

α và β còn phụ thuộc vào độ cắm sâu vào đất theo phương thẳng đứng của Spudcan và khả năng chịu cắt của đất nền

Dean [2] đc đưa ra các giá trị α và β như sau: α=0.35 và β=0.625 SNAME [3] đc sử dụng công thức tương tự và lấy α=0.3 và β=0.625 Các tính toán dưới đây lấy các giá trị

α=0.35 và β=0.625

Hình 5: Quan hệ tải trọng và biến dạng của nền có kể đến kích thước của Spudcan

Tsukamoto [2] đc phát triển biển thức của Dean để xác định Mi với giả thiết quan hệ giữa mô men Spudcan Mi và góc xoay của Spudcan θi với tải trọng theo phương thẳng đứng tác dụng lên Spudcan là hằng số Vi - hình 5

, ,

,

1 exp

/

RE i i

i ULT i

ULT i

K

θ

=  ư  

3 Một số kết quả ban đầu

Theo đồ thị ở hình 5 và giá trị ở biểu thức (10) , tính được MULT có giá trị như sau

,

2

1

1

1

i

Mi

i

i

V

M

α

β

ư

=

+

Dạng rút gọn công thức (12):

,

2

1

1

i

Mi

V

β ζ

ư

=

 

+ 

 

Với ζ=(Mi/B)/Hi và với giá trị KRE,i được giả thiết là phụ thuộc tải trọng theo phương

đứng trên Spudcan thông qua hệ số RRE:

, ,

RE i RE i i

Các quan hệ tải trọng và biến dạng trên hình 5 được biểu diễn như sau [2]

1

) / (

) (

H

B M h

iθβ = β

∆

Với B và β là hằng số, thực hiện khai triển phép tính số gia, hi được tính như sau:

2 2

.i i

i

i

h

M

θ β

Như vây ta có:

1 1 23 23

Hull

2

,

Hull

+

(18) Trong đó:

- B (m): Đường kính Spudcan (m)

- β: Hệ số phụ thuộc độ nhám giữa Spudcan và nền, theo Dean β=0.625

- Hi (m): Lực do tải trọng ngang tác dụng vào chân thứ i

- Mi (Tm): Mô men do tải trọng ngang gây ra tại điểm tiếp xúc chân thứ i và nền

- L(m): Khoảng cách giữa thân và điểm đầu của Spudcan

- EI (Tm2): Độ cứng chống uốn của chân

- KRS,i (Tm): Độ cứng chống xoắn của chân thứ i

- S: Chiều cao Spudcan

4 Các bước tính toán xác định chuyển vị ngang của Spudcan

Qua kết quả phân tích trên, công thức 16 có thể tính được chuyển vị ngang của Spudcan Tuy nhiên cần phải có nội lực lên Spudcan Do vậy phương pháp thực hành để tính chuyển vị ngang được đề nghị là thực hiện việc giải lặp kết cấu, được thực hiện theo các bước trong sơ đồ khối dưới đây:

Bước 1:

Tính sơ bộ độ cứng lò xo theo phương ngang 8 .

2

h

G R K

v

=

ư (theo DnV)

7 8

h

v G R K

v

ư

=

Bươc 2:

Thực hiện việc phân tích động kết cấu (nên dùng SACS V5.2)

Bước 3:

Từ kết quả nội lực của việc phân tích động, tính toán lại chuyển vị ngang hHULL theo công thức:

2

,

Hull

Bước 4:

Tính độ cứng lò xo theo phương ngang theo công thức: i 1

HULL

H K

Với n là số chân

Bước 5: Tính lặp

Sau đó thế Ki vào và phân tích động lần 2

Bước 6: Kiểm tra kết quả

Dừng tính toán khi Kin ≈ Kin+1 dừng

III KếT LUậN

- Các mô hình đơn giản thường được sử dụng trước đây để tính chuyển vị ngang của các giàn khoan tự nâng (jackup) là ngàm cứng đã tỏ ra không chính xác khi bỏ qua ảnh hưởng của

đất nền tại vị trí khai thác jackup

- Các công thức trong các quy phạm [5], [6] đang sử dụng để tính toán chuyển vị ngang của các giàn khoan tự nâng (jackup) đã kể đến ảnh hưởng của đất nền tuy nhiên chưa xét đến hình dáng của Spudcan và chưa kể đến độ xuyên sâu của Spudcan vào đất nền

- Bằng việc dùng các công thức giới thiệu trong bài báo này có thể xác định được chuyển vị ngang của Spudcan và tính được sự làm việc đồng thời giữa Spudcan và đất nền, có xét đến hình dáng của Spudcan và độ xuyên sâu của Spudcan vào đất nền

Tµi liÖu tham kh¶o [1]Butterfield, R.,Houslsby (1997) - Stadardized sign conventions and notation for generallly loaded foundations Geotechnique Vol.47 No 5, page: 1051-1054

[2]Dean,E.T.R, James, Tsukamoto (1993) - The bearing capacity of conical footings on sand

in relation to the behaviour of Spudcan footings of Jackup NXB Oxford, Trang: 203-253 [3]Sname (1994) - Guidelines for site specific assessment of mobile jack-up units Society of Naval Architects and Marine Engineers, Môc 5-5A, NXB New Jersey

[4]Pierson, W.J and Moskowitz, L (1964) - Aproposed form for fully developed wind seas based on the similarity theory of S.A Vol 69, No 24, Trang 5181-902

[5] DnV,1981, Rules for Design, Construction and Inspection of Offshore Structures, Hovik, Norway

[6]API,1993, Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms,American Petroleum Institute Publication RP-2A, Dallas, Texas