VIỆN xây DỰNG CÔNG TRÌNH BIỂN đồ án CTB cố ĐỊNH i

Phân tích lựa chọn các thông số môi trờng để thiết kế: Chọn 2 hớng sóng tác động lên công trình để tính toán kiểm tra kết cấu bao gồm: Hớng 1: hớng có chiều cao sóng lớn nhất hớng NE Hớ

PHầN a :

I.giới thiệu chung về công trình biển cố định bằng thép

Trên thế giới công trình biển cố định bằng thép(CTBCDBT) là thế hệ công trình biển đầu tiên

và đã đợc sử dụng nhiều nhất để phục vụ khai thác dầu khí ngoài biển.trên thế giới đã xây dựng khoảng 7000 CTBCD,phần lớn ở độ sâu nớc trong vòng 300m…ở vùng biển sâu trên 1000

ft(304,8m),hiên nay chỉ có 7 công trình(đều thuộc vùng biển của Mỹ),trong đó dàn

BULLVINKLE ở độ sâu lớn nhất 412m,vịnh MEXICO

Việt Nam hiện nay đã thiết kế xây dựng các loại CTBCDBT với độ sâu nớc biển 50-60m,đạt tiêu chuẩn quốc tế.Việc xây dựng các công trình biển ở độ sâu từ 100-200m là nhu cầu trớc mắt ở nớc ta

Trong đồ án này thực hiện tính toán thiết kế kết cấu chân đé công trình biển cố định bằng thép trong giai đoạn khai thác ở độ sâu nớc xấp xỉ 100m theo tiêu chuẩn thiết kế API 2A RP-WSD 2000

Ii PHƯƠNG áN THI CÔNG Dự KIếN

- Thi công trên bờ: phơng pháp quay lật panel

- Hạ thủy,vận chuyển trên biển bằng xà lan mặt boong 12000T của XNLD.VSP và

Nớc dâng tơng ứng với bão thiết kế d2 (m) 0.8

6)Vận tốc dòng chảy đáy lớn nhất tơng ứng với Hớng sóng tính toán

-Chức năng: khoan khai thác và sơ chế sản phẩm dầu khí

2 Phân tích lựa chọn các thông số môi trờng để thiết kế:

Chọn 2 hớng sóng tác động lên công trình để tính toán kiểm tra kết cấu bao gồm:

Hớng 1: hớng có chiều cao sóng lớn nhất hớng NE

Hớng 2: hớng tác dụng theo phơng chéo của diafrargm hớng N

Nhóm 5_lớp 52cb2 gvhd:th.s vũ đan chỉnh

5

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

Nhóm 5_lớp 52cb2 gvhd:th.s vũ đan chỉnh

6

- Tận dụng các trang thiết bị, phơng tiện thi công sẵn có, hạn chế tối đa việc mua, thuêMục 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

T app

+

=1Trong đó :

*81.9

31.1

Từ hai cặp số trên tra đồ thị 2.3.1-3 trang 14 tiêu chuẩn API RP2A WSD

Suy ra vùng áp dụng lý thyết sóng Stockes bậc 5

Nhóm 5_lớp 52cb2 gvhd:th.s vũ đan chỉnh

7

H = Hmax = H1 = 16,1 m.

d Lựa chọn tiết diên các thanh

-Tiết diện các thanh đợc lựa chọn dựa trên điều kiện độ mảnh cho phép.Độ mảnh cho phép phụ thuộc vào điều kiện làm việc của thanh(chịu kéo hay nén)

Dựa trên điều kiện độ mảnh cho phép,lựa chọn sơ bộ tiết diện của thanh.Từ kết quả tính toán ,lựa chọn lại tiết diện để phù hợp với đặc điểm của tải trọng tác dụng

Theo sổ tay”AOSE” của Teng H.Hsu ,khi thiết kế sơ bộ các kết cấu chân đế trong điều kện biển ở khu vực Đông Nam á ,có thể chọn giá trị độ mảnh(Kl/r)=110 làm căn cứ để lựa chọn sơ bộ tiết diện:

Trong đó

 k: hệ số kể đến mất ổn định của thanh phụ thuộc vào liên kết 2 đầu

 l:chiều dài phần tử(khoảng cách giữa 2 tâm nút)

 r: bán kính tiết diện phần tử

Nhóm 5_lớp 52cb2 gvhd:th.s vũ đan chỉnh

8

Công thức tính độ mảnh λ nh sau:

λ = 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

Do phơng án chọn là dạng kết cấu chóp cụt nhóm dự kiến phơng án kết cấu chân đế đỡ trực tiếp thợng tầng không dùng khung sàn chịu lực Vị trí mặt D1 bố trí cách đỉnh chân đế 1m

Cao độ mặt Dia Fragm D8 cách đáy biển 1.0m

DIAFRAGM Cao trình so với đáy biờ̉n (m)

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

Nhóm 5_lớp 52cb2 gvhd:th.s vũ đan chỉnh

9

thanh ống chính 1,0thanh xiên,ngang 0,7thanh chính chéo 0,8

Nhãm 5_líp 52cb2 gvhd:th.s vò ®an chØnh

10

Nhãm 5_líp 52cb2 gvhd:th.s vò ®an chØnh

11

Φ 812.8x25.4;L=20267

Φ

812.8x25.4

;L=

27186

Φ

812.8x20.6

Φ 660 6;L

Φ812.8x25.4,L=135

Φ812.8

x25.4

;L=239

Φ

812.8x25.46;L

;L=141

x20.6;L928

Φ∴812.8x25.4;L

=1 41

Φ

812.8x25.4

;L1

3167

x20 6;L 768 Φ660 x25.4;L=15278

=13

Φ 660 6;L 917

Φ 812.8x25.4;L=20267

Φ812.8x25.4

;L 71

Φ559

x20.6

;L238

;L=

14557

Φ

812.8x25.4 ,L=

13555

Φ

812.8x25.4;L=

26439

Φ812.8x25.46;L126

x20.6;L

25574

Φ812.8x20.6

;L=128

Φ812.8x25.4

;L137

Φ812.8x20.6

;L=168 Φ660 x25.4;L=15278

7

4

4 4

4

4 4

6

6 6

6 6 6

6

6 6

6

7

7

7 7

=2 53

Φ

66 20 6;L

Φ66

20.6

;L=286

Φ66

20.6

;L=239

Φ66

20.6

;L=255

2

Φ66

20.6

;L=202

I Phơng pháp tính toán kết cấu chân đế ctbcddbt:

+ 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 kêt 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

Nhóm 5_lớp 52cb2 gvhd:th.s vũ đan chỉnh

14

Còn

đối với bài toán động để giải hệ phơng trình cân bằng động tổng quát (*) ta có các phơng 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.Mục đích tính toán:

 Kết cấu công trình chịu tải trọng sóng cỡng bức,là tải trọng động thay đổi có chu kỳ Nếu dao động riêng của kết cấu bằng với dao động riêng của sóng thì xảy ra hiện tợng cộng h-ởng

 Khi dao động riêng của kết cấu càng gần với dao động riêng của sóng thì ảnh hởng động càng lớn Vì vậy tính dao động riêng của công trình nhằm xác định phơng pháp tính toán : Giải bài toán theo bài toán động hay bài toán tĩnh (có hay không xét đến ảnh hởng động của tải trọng động)

 Chu kỳ dao động của sóng biển ở trạng thái cực hạn từ 520s, vì vậy nếu chu kỳ của kết cấu Tkc >3s thì ảnh hởng động là đáng kể do đó phải tính đến ảnh hởng động của tải trọng

động

 Theo API đối với các công trình dạng Jacket,tính toán bền,khi chu kỳ dao động của công trình Tkc <= 3s ,cho phép tính toán công trình theo bài toán tựa tĩnh: Tính toán công trình theo bài toán tĩnh, sau đó các phản ứng đợc điều chỉnh bởi hệ số động

II.2 Mô hình tính

II.2.1 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.2.2 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

đ-ợc 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

Nhóm 5_lớp 52cb2 gvhd:th.s vũ đan chỉnh

15

diện cọc và vật liệu làm cọc, mô men, lực cắt.

+ Theo quy phạm phơng Tây:

- với đất sét : ∆ = (3,5 ữ 4,5)DC

- Với đất bùn, phù sa : ∆ = (7 ữ 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 = 812,8 ( mm)

∆0 =6 x1.067 =6.402 ( m ) Ta lấy ∆0 = 6 (m)

II.3.Cơ sở lý thuyết

Có thể giải bài toán dao động riêng theo sơ đồ sau :

Giải bài toán theo sơ đồ không gian : Từ sơ đồ hình học và sơ đồ khối lợng đã thiết lập có thể

sử dụng phơng pháp số để xác định các dạng dao động riêng của kết cấu Tuy nhiên với bài toán nhiều bậc tự do thì phơng pháp lặp là phơng pháp thích hợp nhất

II.4 Giải bài toán dao động riêng:

II.4.1 Phơng pháp tính toán:

- Nếu chu kỳ dao động riêng của công trình nhỏ hơn rất nhiều so với chu kỳ tải trọng (TDĐR< 3sec ) thì lúc này ảnh hởng động của tải trọng động là nhỏ không đáng kể so với tải trọng tĩnh Bài toán lúc này đợc xét nh bài toán lực tĩnh, việc đánh giá sơ bộ ảnh hởng tính chất động của các tác động sẽ đợc xét qua hệ số động (kđ):

1 1

2 2

1

21

εω

ω

t

o

u u

Trong đó:

uo – biên độ của chuyển vị động

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

ω1 =

ddr

T

π.2

là tần số của một dạng dao động riêng

Tkc – Chu kỳ dao động riêng của kết cấu

ε/ω1 – Hệ số giảm chấn lấy bằng 0,08

Nhóm 5_lớp 52cb2 gvhd:th.s vũ đan chỉnh

16

ω – tần số vòng của sóng tác dụng.

- Nếu chu kỳ dao động riêng của công trình gần với chu kỳ tải trọng tác động (ở đây là chu

kỳ của sóng) thì ảnh hởng động của tải trọng động đến phản ứng của công trình là đáng kể Lúc này phải tính toán động kết cấu

II.4.2 Tính toán các loại khối lợng :

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

Khối lợng bản thân của một thanh là :

mbt(i) = ρs As Li

Trong đó:

+ ρs - Trọng lợng riêng của vật liệu làm thanh kết cấu, với vật liệu thép ρs = 7.850

t/m3.+ Asi - diện tích tiết diện của thanh thứ i , m2

Với Asi = [π.( Di2 -(Di - 2.δi)2)]/4

Với Di , δi - đờng kính ngoài và bề dầy của thanh thứ i

+ Lij - chiều dài thanh thứ i , ( m )

Kết quả tính khối lợng bản thân tại các nút

Nhóm 5_lớp 52cb2 gvhd:th.s vũ đan chỉnh

17

JOINT ΣmBT JOINT Σmnk JOINT ΣmBT JOINT ΣmBT

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) = ρh.Ahi.Li

ρh – khối lợng riêng của hà bám (ρh = 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 hà bám quy về các nút

JOINT ∑mhb JOINT ∑mhb JOINT ∑mhb JOINT ∑mhb

4 Xác định khối lợng nớc kèm của các thanh ngập nớc:

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

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

Tính khối lợng nớc trong ống với MNTB

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

An( i)= [ π (Di - 2 δi)2)]/4

+ Di - §êng kÝnh ngoµi cña cäc

Tổng khối lợng nớc trong ống 190,28 tấn

Kết quả chi tiet tính toán thể hiện ở phần phụ lục

II.4.2 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 nứơc kèm, hà bám, nớc trong ống chính ta tiến hành quy đổi khối lợng về nút và nhập vào SAP để tính DĐR

Kết quả tính DĐR nh sau :

Ta thấy chu kỳ dao động riêng của công trình Tr max < 3 s và nhỏ hơn rất nhiều so với chu

kỳ tải trọng sóng, do đó ảnh hởng động của tải trọng động là nhỏ không đáng kể Lựa chọn bài toán giải theo phơng pháp tựa tĩnh, việc đánh giá ảnh hởng động của các tác động đợc xét qua hệ

số động (kđ):

21

1

2 2

t

o d

u

u k

ω

ωω

εω

ω

Thay các giá trị :

Nhóm 5_lớp 52cb2 gvhd:th.s vũ đan chỉnh

24

ε/ω1 – Hệ số giảm chấn lấy bằng 0,08

./70,233,2

14,3.2

s Rad

ω

./43,075,14

14,3.2

s Rad

=

=ω

03 , 1 70 , 2

43 , 0 08 0 2 70

, 2

43 0 1

1

2 2

- TảI trọng đẩy nổi là tải trọng theo phơng thẳng đứng do nớc tác dụng lên công trình khí

đặt trong môi trờng nớc,có giá trị chính bằng trọng lợng của phần nớc bị công trình chiếm chỗ

- Khi tính tải trọng đẩy nổi các ống ngang và ống xiên đợc xem là kín 2 đầu,các ống chính cần xét đến lợng nớc trong ống

II.2.2.Công thức tính toán

Công thức xác định tải trọng đẩy nổi:

Nhóm 5_lớp 52cb2 gvhd:th.s vũ đan chỉnh

25

Fđn = ∑ . . .

i

nn i

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

Trong thực hành tính toán của đồ án nhóm sử dụng phần mềm SAP2000 tính toán tự động tải trọng đẩy nổi trên cơ sở lý thuyết trên

III.3.Xác định tải trọng gió:

II.3.1.Cơ sở lý thuyết

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:

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)

Nhóm 5_lớp 52cb2 gvhd:th.s vũ đan chỉnh

26

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)

α, β: 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

II.3.2.Tính toán tải trọng gió

- Vận tốc gió quy đổi trong 1h

Sau khi tính đợc tải trọng gió ở các phần kết cấu Fi của thợng tầng ta qui đổi chúng thành các lực tập trung (Fxi , Fyi) tập trung tại 8 đỉnh khối chân đế và một mômen Mg đợc quy thành các cặp ngẫu lực tại 8 đỉnh khối chân đế (Pi , Pi).

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 hởng của dòng chảy đợc bổ

Nhóm 5_lớp 52cb2 gvhd:th.s vũ đan chỉnh

28

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 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 của kết cấu ngoài biển đợc chia thành vật thể mảnh và vật thể có kích thớc 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 hởng của nhiễu xạ lại đóng vai trò quyết định.Công trình biển cố định bằng thép kết cấu kiểu Jacket là công trình tổ hợp bởi các phần tử 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

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

c x =sinϕcosϕ= 2 − 1

L

y y

c y =sinϕsinθ = 2 − 1

L

z z

c z =cosϕ= 2 − 1

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

1 2

2 1 2

2 1