ĐỒ án tính toán thiết kế kết cấu chân đế công trình biển cố định bằng thép ( CTBCĐBT ) trong giai đoạn khai thác

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 thi công và các thiết bị thi công trên bờ và ngoài khơ

Đ ÁN Ồ ÁN

Tính toán thiết kế kết cấu chân đế công trình biển

cố định bằng thép ( CTBCĐBT ) trong giai đoạn

khai thác.

Chương 1 : GIỚI THIỆU ĐỒ ÁN

I GIỚI THIỆU ĐẶC ĐIỂM CÔNG TRÌNH

Công trình biển bằng thép là công trình có vật liệu làm chủ yếu làm bằngthép Công trình làm việc như một khung không gian, các tải trọng đượctruyền 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 vậykết cấu có trọng lượng và kích thước tương đối nhỏ dẫn đến tải trọng sóngtác 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 thicông 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 bịchuyên dụng của ngành Phải trải qua 2 giai đoạn: Giai đoạn 1 là thi công lắpgiáp , giai đoạn 2 là vận chuyển hạ thuỷ đánh chìm và cố định ngoài biển

Do đó tồn tại nhiều rủi ro khi thi công

II SỐ LIỆU ĐẦU VÀO

1 Đặc điểm công trình :

Kích thướckhung đỡ

PA thi công

PA móng

Độsâunước(m)

Trọnglượng

Hìnhdáng/kíchthước/số giếng

44x20m 30000kN

Tứ giác52x36x30m

8 giếng

8 ống chínhLaunchingCọc váy

88

2. Số liệu khí tượng hải văn tại vị trí xây dựng công trình :

Biên động triều lớn nhất d1 ( m ) 1.8Nước dâng tương ứng với bão thiết kế d2 ( m ) 1.2

9 Số liệu về vật liệu :

Số liệu về quy cách thép ống ( lấy theo quy cách thép ống của API ) + Vật liệu thép : - Loại thép A3

Đặc trưng cơ lý của vật liệu thép :

- Khối lượng riêng t=7.85 ( T/m3 )

- Cường độ chảy F y= 3450 ( kG/m2 ) với D> 520 mm

 Chương 2: THIẾT KẾ KẾT CẤU CHÂN ĐẾ

* Xác định huớng tác dụng của dòng chảy:

Hướng tác dụng của dòng chảy chọn theo 2 hướng tác dụng của sóng

+ Dòng chảy mặt lớn nhất:

+ Dòng chảyđáy lớn nhất:

- Trong thiết kế đồ án, ta sử dụng số liệu của 2 hướng gió chủ đạo tương ứng với 2 hướng sóng là hướng Đông Bắc (NE) và hướng Bắc (N)

c) Lựa chọn hướng đặt công trình.

- Công trình đặt theo hướng có chiều cao sóng lớn nhất NE

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 thi công và các thiết bị thi công trên bờ và ngoài khơi

a) Xác định các kích thước tổng thể của kết cấu

+ Kích thước đỉnh của kết cấu chân đế : 44x20 (m)

+ Xác định chiều cao công trình :

_ Chiều cao công trình ( Từ đáy biển đến vị trí sàn không cho phép ngập nước)được xác định sao cho mặt dưới của sàn công tác không bị ngập nước, có kể đếnmột khoảng cách an toàn ∆(∆ được gọi là độ tĩnh không của công trình) Do vậychiều cao công trình là khoảng cách từ mặt đáy biển đến sàn công tác

H : Chiều cao sóng, H = Hmax = 16.1 m

 : Độ tĩnh không, >= 1.5m, ở đây lấy  = 1.73

 : là hệ số phụ thuộc vào lý thuyết sóng

- Xác định Lý thuyết sóng với : d = MNTT = 91 (m) ; H = 16.1(m) ;

*Xác định chu kỳ biểu kiến Tapp : do d/gT2 = 0.045 > 0.01 nên tra bảng theo API, với V1/gT = 1.31/(9.81x14.3) =0.0093

Trong đó : V1 : vận tốc mặt lớn nhất ứng với hướng sóng chủ đạo NE

Tra bảng ta được : Tapp/T = 1.06 => Tapp = 15.158 (s)

2

2

304.5 2

app gT

Vậy : H CT 91 0.793 16.1 1.73 105.5 x   m

+ Xác định cao trình Diafragm D1 (diafragm trên cùng): Trường hợp dùng

cho khung sàn chịu lực

A) CHIỀU CAO KHUNG KHÔNG

b) Xác định sơ bộ phương án kết cấu sàn chịu lực

_ Khung sàn chịu lực là phần kết cấu nối và truyền tải trọng từ thượng tầng xuốngkết cấu chân đế Các thanh trong mặt đứng được bố trí theo kiểu chữ K, các thanhtrong mặt ngang được bố trí như các thanh trong Diafragm

HÌNH 2 : Một số hình thức khung sàn chịu lực.

 MÔ TẢ SƠ ĐỒ TỔNG THỂ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH

ỐNG CHÍNH

ỐNG NHÁNH

THANH NGANG DIAFRAGM

YORK PLATE PILE SLEEVE

2

DIAFRAGM D1ỐNG CHÍNH

THANH NGANG

CỦA KHUNG SÀN CHỊU LỰCTHANH ÐỨNG

*Sơ đồ mặt bằng tổng thể công trình :

c) Sơ đồ bố trí các mặt ngang, cấu tạo các mặt ngang

d) Sơ đồ bố trí các các thanh xiên

e) Xỏc định sơ bộ kớch thước cỏc thanh ống, ống chớnh, ống nhỏnh.

-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”Applied Offshore Structural Engineering ” 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.

Công thức tính độ mảnh  nh sau:

 = k.l/r Trong đó :

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

: Là bỏn kớnh quỏn tớnh của tiết diện

Trong đú : J : là mụmen quỏn tớnh của tiết diện ống

A : Diện tớch mặt cắt ngang của ống

Ta cú bảng chọn sơ bộ tiết diện thanh, và kết quả kiểm tra độ mảnh của cỏc thanhnhư sau:

thanh xiên, ngang 0,7

0.0952 5

0.0169

42.999 6

8

0.0011 2

0.1995

42.028 3

f)Lựa chọn sơ bộ kớch thước cọc: 1219x30.2

 K t qu thi t k sết quả thiết kế s ả thiết kế s ết quả thiết kế s ết quả thiết kế s ơ b :ộ:

- S ng chính: 8 ng v i hai lo i ti t di n 1321x25.4mm vố ống chính: 8 ống với hai loại tiết diện 1321x25.4mm v ố ống chính: 8 ống với hai loại tiết diện 1321x25.4mm v ố ống chính: 8 ống với hai loại tiết diện 1321x25.4mm v ới hai loại tiết diện 1321x25.4mm v ại tiết diện 1321x25.4mm v ết quả thiết kế s ện 1321x25.4mm v à 1219x30.2mm

- Đư ng trờng tr ư t kích thợt kích th ư c 20m, hai ới hai loại tiết diện 1321x25.4mm v đư ng trờng tr ư t có ti t di n 1321x25.4mmợt kích th ết quả thiết kế s ện 1321x25.4mm v

- Chi u cao KCều cao KC Đ: 93.8m

- Kích thư c ới hai loại tiết diện 1321x25.4mm v đ nh: 20x44mỉnh: 20x44m

- Kích thư c ới hai loại tiết diện 1321x25.4mm v đáy:38.76x62.76m

- Số Diaphragm: 6

- Ch n sọn s ơ b 4 lo i ti t di n ng ộ: ại tiết diện 1321x25.4mm v ết quả thiết kế s ện 1321x25.4mm v ố ống chính: 8 ống với hai loại tiết diện 1321x25.4mm v

- Chi u dều cao KC ài các thanh đư c ch n sợt kích th ọn s ơ b t ộ: ừ đi u ki n ều cao KC ện 1321x25.4mm v đ mộ: ả thiết kế snh

II TÍNH TOÁN PHẢN ỨNG CỦA KẾT CẤU KHỐI CHÂN ĐẾ

+ 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 tiệntính toán; trong đó phơng pháp phần tử hữu hạn đợc sử dụng hầu hết các bài toánkêt cấu,bài toán tĩnh, bài toán động, các bài toán tuyến tính và phi tuyến, nó cũnggiải quyết nhiều mối tơng tác giữa kết cấu và môi trờng kết cấu

1 Lập sơ đồ tính toán kết cấu:

* Sơ đồ hình học từ sàn thượng tầng trở xuống ( sàn thượng tầng, khung nối,chân đế, cọc )

Như hình vẽ đã trình bày ở trên

* Mô hình hóa các phần phụ trợ ( Các Conductor, giá cập tàu,…)

* Mô hình hóa cọc trong ống váy và liên kết nối đất

Quan niệm kết cấu chân đế ngàm với nền đất tại độ sâu cách mặt đáy biển khoảng

∆o (∆o gọi là chiều sâu ngàm giả định)

Ở đây ta lấy: ∆o = 6D

Trong đó : D - đường kính cọc

2 Tính toán các loại khối lượng.

a) Xác định khối lượng thượng tầng.

Khối lượng thượng tầng là toàn bộ khối lượng của cỏc trang thiết bị như mỏykhoan, khối lượng bản thõn của cỏc block,…, được tớnh từ trọng lượng thượngtầng ta cú

Tổng tải trọng thượng tầng : G = 3000(T)

Từ tải trọng thượng tầng, ta chia cho gia tốc trọng trường, ta được khối lượngthượng tầng, ở đõy lấy gia tốc trọng trường bằng 10m/s2, từ khối lượng thượngtầng ta chia cho cỏc đẩu ống chớnh của khối chõn đế Cụ thể là tại 4 ống trong tagỏn mỗi ống là 50T, cũn 4 ống ngoài thỡ ta cho mỗi ống 25T

b) Xỏc định khối lượng bản thõn (cỏc kết cấu chớnh, kết cấu phụ), hà bỏm.

- Khối lợng bản thân của một thanh là :

mbt(i) =s As Li

Trong đó:

+ s - Trọng lợng riêng của vật liệu làm thanh kết cấu, với vật liệu thép s

= 7.850 T/m3.+ Asi - diện tích tiết diện của thanh thứ i , m2

Với Asi = [.( Di2 -(Di - 2.i)2)]/4

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

+ Lij - chiều dài thanh thứ i , ( m )

Dựng chương trỡnh Sap ta cú tổng khối lượng bản thõn khối chõn đế là: 3082T c) Khối lượng hà bỏm :

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 bámtại 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) = h.Ahi.Li

h – khối lợng riêng của hà bám (h = 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, từ đú ta tớnh được tổng khối

lượng hà bỏm là : 1717T

Bảng tớnh cụ thể được thể hiện ở phụ lục cuối thuyết minh

d) Xỏc định khối lượng nước kốm ( chỉ tớnh cho cỏc thanh ngập nước).

Xác định khối lợng nớc kèm tính từ MNTB (calm sea) xuống đáy biển.

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

Khối lợng nớc kèm đợc quy về nút theo nguyên tắc của dầm đơn giản, từ đú ta

tớnh được tổng khối lượng nước kốm là: 136.2T

Bảng tớnh toỏn cụ thể được trỡnh bày ở phần phục lục cuối thuyết minh

e) Xỏc định khối lượng nước trong ống.

Tính khối lợng nớc trong ống với MNTB

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

+ i – Chiều dày cọc

Từ đú ta tớnh được tổng khối lượng của nước trong ống là : 787.2T

Bảng tớnh toỏn cụ thể được trỡnh bày ở mục lục cuối thuyết minh

f) Khối lượng vữa trỏm

Vữa trỏm là lớp vữa liờn kết giữa cọc và ống vỏy, khối lượng vữa trỏm đượctớnh theo cụng thức:

mv(i) = v[.((Doc - 2.oc)2)- D2

cọc ))/4].Li

Trong đú :

v - Khối lượng riờng của vữa bơm trỏm (v= 1800 kg/m3)

Doc,oc – Đường kớnh ngoài và chiều dày ống vỏy

Dcọc : Đường kớnh cọc

Li : Chiều dài ống vỏy i, ở đõy cỏc ống vỏy cú chiều dài bằngnhau

Từ đú ta tớnh được tổng khối lượng vữa trỏm là : 16.65T

Bảng tớnh toỏn cụ thể được trỡnh bày ở mục lục cuối thuyết minh

g) Khối lượng cọc.

mc(i) =c [.(D2

cọc - (Dcọc - 2cọc)2)/4].Li

Trong đú :

c : Khối lượng riờng của cọc (c = thộp =7850 kg/m3)

Dcọc ,cọc : Đường kớnh và chiều dày cọc

Li : Chiều dài cọc thứ i

Từ đú ta tớnh được tổng khối lượng cọc là : Sẽ được tớnh sau khi tớnh toỏn nội lực.

Bảng tớnh toỏn cụ thể được trỡnh bày ở mục lục cuối thuyết minh

3 Xỏc định cỏc loại tải trọng tỏc động lờn cụng trỡnh.

a) Tải trọng thượng tầng.

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

đợc phân cho 8 nút tại 8 đỉnh ống chính, phơng tác dụng hớng xuống, tải trọng nàytác dụng lên công trình là tải trọng tĩnh:

Pi (T) 500 500 500 500

b) Tải trọng đẩy nổi.

+/ 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 n-

4 với Di là đờng kính ngoài của phần tử thứ i có kể đến hà bám.

Đối với ống chính có nớc trong ống, A là diện tích mặt cắt ngang

li: Chiều dài phần tử thứ i

Trọng lợng riêng đẩy nổi : dn = 1.025 (T/m3),

Từ đú ta tớnh được tải trọng đẩy nổi là : 4376.73T

Bảng tớnh toỏn cụ thể được trỡnh bày ở mục lục cuối thuyết minh

c) Tải trọng giú.

 Cơ sở lý thuyết :

Tải trọng gió đợc tính toán theo tiêu chuẩn API (Recommended Practice forPlanning, Designing and Contructing Fixed Offshore PlatformsWorking StressDesign), theo 2 hớng tơng ứng với 2 hớng sóng đã chọn:

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 nớctĩnh (km/h)

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)

, : 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

 Tớnh toỏn tải trọng giú:

- Vận tốc gió quy đổi trong 1h :

N 44,7 (m/s) 160,92 (km/h)

NE 58,1 (m/s) 209,16 (km/h)-Phần mô tả sơ đồ tính tải trọng gió:

Gồm tải trọng gió lên kết cấu chân đế trên mực nớc tĩnh và tải trọng gió lênphần thợng tầng

Trong thực hành tính toán của đồ án nhóm sử dụng phần mềm SAP2000 tự

động tính toán tải trọng gió tác động lên KCĐ

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

B¶ng tæng hîp t¶i träng giã cña phÇn thîng tÇng quy vÒ c¸c ®Çu èng chÝnh cñaKC§ :

Theo phần trên ta có sóng lan truyền ở công trình là sóng Stock bậc 5, nên ta

chọn lý thuyết sóng Stock bậc 5 để tính toán

Tính toán với sóng theo hướng NE và hướng N với chu kỳ lặp 100 năm

 Lý thuyết sóng Stock bậc 5

a) Chọn hệ trục tọa độ

-Trục 0z thẳng đứng và trựng với trục của khối chõn đế.

-Trục 0x nằm ngang, trựng với phương giú thổi và chuyển động súng – dũng chảy -Trục 0y nằm ngang, vuụng gúc với trục 0x

-Gốc tọa độ 0 tại mặt đỏy biển

b) Cỏc thành phần vận tốc, gia tốc

* Theo lí thuyết sóng Stokes bậc 5, khi sóng có chiều cao H, số sóng k và tần sốvòngω lan truyền theo chiều dơng của trục x, thì độ dâng của bề mặt chất lỏng sovới mặt nớc tĩnh có thể biểu diễn dới dạng :

F4 = a4.F44 ; F5 = a5.F55

* Các thông số hình dáng của sóng F22, F24 ( phụ thuộc vào kd = 2d/L ; đợcxác định theo bảng tra ), và thông số chiều cao sóng H quan hệ với nhau bởi biểuthức :

* Các thành phần gia tốc theo phương ngang và phương đứng tại điểm có tọa độ(x,z) trong vùng nước có độ sâu nước d được xác định như sau:

( ) ( )

*Nhận xột : 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 khôngthay 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 sung vào thànhphần vận tốc của tải trọng sóng Vì thành phần tải trọng do vận tốc gây ra có chứabình phơng vận tốc, nên sự tham gia của dòng chảy làm tăng đáng kể cho tải trọngsóng

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

đ-ợc chia thành vật thể mảnh và vật thể có kích thớc lớn Đối với vật thể mảnh thì lựcquán tính và lực cản của sóng là đáng kể, còn đối với vật thể lớn thì ảnh hởng củanhiễu xạ lại đóng vai trò quyết định

Công trình biển cố định bằng thép kết cấu kiểu Jacket là công trình tổ hợp bởi cácphần 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 Morisondạng chuẩn tắc

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