Thiết kế khối chân đế công trình biển trọng lực trong giai đoạn khai thác

Thiết kế khối chân đế công trình biển trọng lực trong giai đoạn khai thác

 Nhiệm vụ của đồ án :Thiết kế khối chân đế công trình biển trọng lực trong giai đoạn khai thác

I GIỚI THIỆU ĐẶC ĐIỂM CÔNG TRÌNH

Công trình biển trọng lực là loại công trình làm việc theo nguyên lý móng nông, đứng ổn định trên mặt đáy biển nhờ trọng lượng bản thân và trọng lượng công nghệ

Một trong những ưu điểm nổ bật của công trình biển trọng lực là toàn bộ ( hoặc phần lớn) kết cấu công trình được chế tạo trên bờ, sau đó lai dắt công trình ra vị trí xây dựng đánh chìm, giảm thiểu thời gian thi công ngoài khơi do vậy tránh được những rủi do khi thi công dài ngày ngoài khơi

Để tận dụng được những ưu điểm trên, các công trình phải được thiết kế sao chô tự nổi

ổn định trong quá trình lai dắt từ vị trí thi công ven bờ đến nơi xây dựng công trình Để tang ổn định cho công trình, thường cấu tạo phần đế lớn để hạ thấp trọng tâm công trình Trọng tâm càng thấp thì công trình càng ổn định

Ngoài ra, bê tông còn là vật liệu rẻ tiền hơn thép, có thể sử dụng nguồn nhân công địa phương Khả năng chống ăn mòn xâm thực của môi trường mạnh như nước biển tốt Quá trình duy tu bảo dưỡng ít hơn so với công trình biển cố định bằng thép.Có thể sử dụng các khoảng không gian ngầm trong công trình như các silo

Các nhước điểm mà công trình biển trọng lực là : - Kích thước trọng lượng lớn dẫn đến tính linh hoạt kém Đòi hỏi thi công trên bờ phải có ụ khô, cảng nước sâu

II ĐẶC ĐIỂM KHÍ TƯỢNG HẢI VĂN, ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH

1 Số liệu thủy triều và nước dâng tại vị trí xây dựng công trình

Biên động triều lớn nhất d1 (m) 2 Nước dâng tương ứng với bão thiết kế d2 ( m ) 1.5

2 Độ sâu nước tại vị trí xây dựng công trình

do=30m

3 Số liệu về sóng

Từ mực nước thấp nhất 0 (m) đến -4 (m) 80mm

Phạm vi hà bám từ mực nước Chiều dày

hà bám thấp nhất trở xuống (mm)

c' (kPa)

E0 (Mpa)

Độ sâu nước tại vị trí xây dựng công trình: do = 30m

- Nước dâng do triều lớn nhất : d1 = 2m

- Nước dâng tương ứng với bão thiết kế : d2 = 1.5m

 Mực nước tính toán : d =do + d1 + d2 = 30 + 2 + 1.5 = 33.5 (m)

2 Hướng đặt công trình

Công trình dạng trụ đỡ đứng với hình dáng trụ và đế móng là dạng tròn Do vậy việc lựa chọn hướng đặt cônh trình chủ yếu phụ thuộc vào hình dáng của kết cấu thượng tầng để giảm thiểu

tác động của môi trường Tuy nhiên tải trọng môi trường tác dụng lên thượng tầng chỉ là tải trọng gió mà chỉ chiếm khoảng 10 -15% tổng tải trọng tác dụng lên công trình Chính vì những lý do này mà việc lựa chọn hướng đặt công trình biển bê tông trọng lực như thế nào cũng không quá quan trọng miễn sao cho việc thi công thượng tầng càng dễ dàng càng tốt

3 Mô tả kiến trúc công trình

Kiến trúc công trình gồm 5 phần chính: thượng tầng, kết cấu đỡ thượng tầng, trụ đỡ, đế móng, chân khay

Thượng tầng bao gồm :

- Khối nhà ở : gồm nhà ở cho 12 người, chứa thiết bị đo khí tượng hải văn Dạng nhà hình tam giác trên mái có vườn khí tượng có đặt các dụng cụ đo

- Sàn chịu lực : đỡ kết cấu nhà và trong longf làm bể nước ăn 50m3

- Sàn công tác đỡ nhà vệ sinh kho chứa giá và xuồng, bể chứa dầu, cầu thang di động

Trụ đỡ bao gồm :

- Trụ làm bằng bê tông cốt thép hoặc BTCT UST tiết dện vành khuyên

- Dầm đỡ thượng tầng

Đế móng bao gồm :

- Đế móng là khối BTCT hoặc BTCT UST rỗng với mặt bằng tròn hay vuông

- Hệ thống chân khay chạy vòng quanh đế móng

- Phía trong đế móng có các hệ dầm sườn bê tông cốt thép, hoặc vách cùng bản đáy, bản nắp, bản thành chia thành các khoang rỗng

( Với đồ án nà coi như ko có thiết bị cập tàu.)

4 Trọng lƣợng phần thƣợng tầng và các thiết bị

- Khối nhà ở = 70T, hoạt tải = 2T, dự trữ lương thực thực phẩm = 8T, nước ngọt = 50T

- Hệ thống dàm thép chịu lực ở sàn chịu lực = 38T

- Sàn công tác : nhà VS = 0,75T, kho = 1,45T, bể chứa dầu = 2,5T, trọng lựng bản than sàn công tác = 11T

5 Đặc trưng cơ học của vật liệu

* Thép cường độ cao có đặc trưng cơ lý :

- Với cấu kiên bê tông cốt thép thường : BT mác #  400

- Với cấu kiện BTCT UST: BT mác #  500

IV PHƯƠNG ÁN THI CÔNG DỰ KIẾN

1 Bước 1: chế tạo trên bờ trong ụ khô

Toàn bộ phần đế móng BTCT và một phần của trụ BTCT được chế tạo trong ụ khô Sau khi chế tạo xong, tháo nước vào ụ để phần KCĐ đã chế tạo này tự nổi được và kéo ra khu nước gần bờ

để thi công tiếp bước hai

2 Bước 2: Ghép phao phụ vào công trình (gần bờ)

Tại vị trí gần bờ, tiến hành gắn các phao phụ bằng thép vào Khối chân đế đã chế tạo từ bước 1

để tăng tính nổi và ổn định của hệ Khối chân đế - phao phụ

3 Bước 3: Chế tạo và lắp dựng hoàn chỉnh (ở gần bờ)

Tiếp tục chế tạo nốt phần trụ BTCT còn lại, đồng thời lắp khối thượng tầng vào khối chân

đế Hệ khối chân đế và phao phụ phải đảm bảo tính nổi và tính ổn định cho toàn bộ hệ thống công trình sau khi đã chế tạo và lắp dựng ở bước 3 này

4 Bước 4: Lai dắt ra vị trí xây dựng ngoài khơi

Dùng các tàu kéo, lai dắt hệ khối chân đế - phao phụ - thượng tầng ra ngoài khơi ( nơi vị trí sẽ cố định công trình)

5 Bước 5: San dọn nền và bơm nước đánh chìm công trình

Tại vị trí cố định công trình, tiến hành công tác san dọn nền đất, sau đó bơm nước vào khối chân đế để công trình từ từ hạ xuống.chú ý phao phụ lúc này vẫn nổi trên mặt nước

và có tác dụng định vị công trình, dẫn hướng cho công trình từ từ hạ xuống đáy biển

6 Bước 6: Hoàn chỉnh các hạng mục khác

Sau khi công trình hạ xuống, tiến hành các công tác khác nhau như : bơm phụt vữa bê tông vào khe giữa đáy móng và nền đất, dằn vật liệu vào khối chân đế (nếu cần), tháo dỡ phao phụ ra khỏi công trình, hoàn tất các việc phụ khác

V GIẢI PHÁP KẾT CẤU

1 Giải pháp kết cấu dầm đỡ thượng tầng

- Kết cấu đỡ thượng tầng có dạng sàn phẳng được cấu tạo bằng thép hình, thép ống hoặc BTCT

- Vì công trình làm bằng BTCT nên chọn luôn cấu tạo của kết cấu đỡ thượng tầng làm bằng BTCT đổ toàn khối Với trụ đỡ có các dạng sau (Hình vẽ):

Với kết cấu thượng tầng như đầu bài cho thì chỉ có một trụ đỡ

- Trụ đỡ có tiết diện hình vành khuyên Đối với tác dụng của môi trường biển thì đây là tiết diện có lợi nhất về khả năng chịu lực, tác dụng của tải trọng lên mọi phía của kết cấu là như nhau Mặt khác ta có lợi dụng khoảng rỗng ở bên trong của trụ đỡ để đặt các thiết bị khoan, ống khoan, làm cầu thang lên xuống và phục vụ các hoạt động công nghệ khác

- Trong trụ đỡ có các bản vách cách nhau một khoảng h(m), tạo độ cứng và ổn định cho vách

- Kích thước mặt cắt ngang và chiều dày của trụ đỡ có thể thay đổi

2

1 3

3

1 2

- Việc thay đổi tiết diện kéo theo sự phức tạp trong thi công Mà độ sâu nước tại vị trí đặt công trình là 21 m, không quá lớn Do vậy ta chọn tiết diện trụ không đổi trên suốt chiều dài

3 Giải pháp kết cấu móng

Việc chọn kích thước đế móng phụ thuộc phần lớn vào phương pháp thi công và các điều kiện về

ổn định về khả năng tự nổi, điều kiện bền và biến dạng của móng.Đế móng hình tròn, có thể là hình vuông, chữ nhật, đế hình vòm hoặc đế có thể là tập hợp của các xi lô

Nội dung thứ 1 : Xây dựng phương án

1 Xây dựng phương án kiến trúc

d2: biên độ nước dâng do bão

µ: hệ số điều chỉnh chiều cao sóng

ε: hệ số (0.5-0.7) phụ thuộc lý thuyết sóng tính toán

Δo: độ tĩnh không (Δo ≥ 1.5 m)

- Xác định Lý thuyết sóng với : dtt = MNTT = 33.5 (m) ;

H = 16.4 (m) ; T= 14.3s

*Xác định chu kỳ biểu kiến Tapp : d/gT2

= 0.016 > 0.01 nên tra bảng theo API (t-13), với V1/gT = 1.37/(9.81x14.3) =0.0097

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

Tra bảng ta được : Tapp/T = 1.08 => Tapp = 15.444 (s)

33.5

0.0149.81 15.444

Chọn chiều cao KCĐ tính toán là Hcđ = 47 (m)

1.2.Lựa chọn sơ bộ các kích thước KCĐ

*Sơ bộ lựa chọn các kích thước của các bộ phận trong đế móng dựa vào tài liệu BTCT :

+ Kích thước dầm phụ : hdầmphụ = )

20

112

1(  lnhịp

+ Kích thước dầm chính :hdầm chính = )

12

18

1(  lnhịp

+ Bề rộng dầm chọn trong khoảng b= (0.3÷0.5).hdầm

+Chiều dày bản :

à135250

- Tiết diện trụ đỡ là hình vành khuyên, đường kính trụ sơ bộ chọn là 6m

- Chiều dày thành trụ sơ bộ chọn là 0.5m và không thay đổi trên suốt chiều dài, do

độ sâu nước không lớn (d = 30 m), nên áp lực thủy tĩnh cũng không lớn

- Bên trong trụ có các bản vách cứng, sơ bộ chọn chiều dày bản vách là 0.4m > 0.25m, do các vách này ở bên trong trụ đỡ, không tiếp xúc với môi trường xâm thực nên lớp bảo

vệ nhỏ hơn lớp bảo vệ thành trụ đỡ Khoảng cách giữa các bản vách đối với từng phương án được chọn sơ bộ và được thể hiện trên hình vẽ (trong phần sau), và nằm trong khoảng từ 5÷7m

+ Kết cấu đỡ thượng tầng:

- Kết cấu đỡ thượng tầng gồm 4 dầm giao nhau Sơ bộ chọn chiều dài của dầm là 16m, do chiều rộng thượng tầng rộng 16m Vì đường kính của trụ là 7m nên phần thừa của dầm được coi là công xôn có chiều dài là 4.5m, từ đó sơ bộ chọn kích thước dầm là 0.5x1m, do

chiều cao dầm bằng 1/3 chiều dài đoạn công xôn, chiều cao dầm sẽ được giảm dần, đến mép ngoài ta chọn chiều cao dầm là 0.6m > 0.15m, sao cho độ dốc từ 1/6 ÷ 1/3 Mục đích giảm là do mômen giảm

- Các kích thước của dầm đỡ thượng tầng thể hiện trên hình vẽ sau:

1 Dầm đỡ thượng tầng

2 Thành trụ đỡ

3 Giao giữa các dầm

b) Kết cấu đế móng

Kích thước đế móng thỏa mãn các điều kiện:

- Điều kiện về thi công (đó là khả năng tự nổi cùa công trình trong giai đoạn đầu khi thi công xong đốt trụ đầu tiên)

T < Hđế

- Điều kiện về ổn định

ho> 0

Trong đó:

T: là mớn nước của công trình

Hđế: Chiều cao của đế

ho: chiều cao ổn định ban đầu của công trình

Trong các loại hình dạng của đế móng thì kết cấu đế móng dạng hình tròn là tối ưu Bởi vì: kết cấu hình tròn chịu lực từ mọi phía là như nhau Đế móng chịu áp lực thủy tĩnh từ mọi phía, để tránh cho các bản thành bị chịu uốn ta sử dụng kết cấu hình tròn

Sơ bộ lựa chọn cấu tạo đế móng như sau:

- Đường kính đế móng: 28m <do = 30m

- Kết cấu dầm trụ đỡ (dầm chính): gồm 8 dầm trụ đỡ xuyên tâm, loại dầm trụ đỡ 2 nhánh Kích thước của dầm trụ đỡ cho từng phương án được mô tả sau

- Hệ dầm phụ theo phương vòng, sơ bộ chọn kích thước là 0.6x1 m

- Chiều dày của bản đáy, bản nắp, bản thành chọn là 0.5 m

- Chiều cao trụ và các kích thước khác thể hiện trong hình vẽ của từng phương án

- Sơ bộ chọn chiều sâu của chân khay là 0.5 m

1.3 Các phương án đưa

a) Phương án 1:

Trụ có tiết diện không đổi, đế móng dạng trụ tròn có bản nắp phẳng

Hình dạng và các kích thước chọn sơ bộ thể hiện như trên hình vẽ:

Bảng tính các thông số của phương án 1:

STT Tên cấu kiện Cao trình D,l ( m) b,t ( m) h (m)

7000 14000

12 13 14

10 15

16

11

9 10

8 7 6 5 4 3 2 1 GHI CHÚ

12 13

15 14

16

17 800

500

1000

18 17

18

7000 800x800

22

Chọn sơ bộ kích thước đế móng

h (m)

b (m) Số lượng

V (m3)

Trọng lượng (T)

b) Phương án 2: Trụ có tiết diện không đổi, đế móng có dạng nắp mái tròn xoay

Bảng tính các thông số của phương án 2:

STT Tên cấu kiện Cao trình D,l (m) b,t ( m) h (m)

7000 16000

12 13 14

7000 800x800

22

Chọn sơ bộ kích thước đế móng Cấu kiện D, l (m) h (m) b Số lượng

2 Kiểm tra các kích thước kết cấu đế móng của phương án đã chọn

*Kiểm tra ổn định nổi:

- Với các kích thước sơ bộ như đã chọn ở trên, trọng lượng của từng cấu kiện được thống

kê trong bảng sau:

Với tọa độ Zi được lấy so với gốc tọa độ được chọn là tâm của trụ, nằm trên mặt đáy biển

Cấu kiện Gi(T) ZiG(m) MiZG,Tm

Do đế móng đã chọn có phần chân khay cao 0.5(m), cho nên phần thể tích đế móng và trụ đỡ không tính phần chân khay và cả các phần cấu kiện tính từ mép đáy bản đáy trở xuống là:

Vv= V - V1- V2- V3

Xác định thể tích choán nước phần phía dưới bản đáy:

+/ Vòng ngoài chân khay:

ZG : Tọa độ trọng tâm của vật nổi

ZC : Tọa độ phù tâm của phần ngập nước

Từ đây tính được : ho = 7.53 – 6.01 + 3.5 = 5.02 (m) > 0 => thỏa mãn điều kiện ổn định tĩnh

Kết luận : Các kích thước kết cấu công trình đã chọn là tương đối hợp lý

NỘI DUNG THỨ 2 : TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG

I TÍNH TOÁN CÁC TẢI TRỌNG

I.1 Tải trọng bản thân khối chân đế

- Ta có bảng tính toán tải trọng bản thân khối chân đế:

Cấu kiện

D, l (m)

h (m)

b (m)

Số lượng

V (m3)

Trọng lượng (T)

b,t (m)

h (m)

V (m3)

Trọng lượng (T)

Tổng tải trọng bản thân khối chân đế là: 6220.67 (T)

I.2 Tải trọng hà bám

- Xác định tải trọng hà bám lên kết cấu tính từ mực nước thấp nhất xuống đáy biển

Khối lượng hà bám tại thanh thứ i là:

mh (i) = h.Ahi.Li

Trong đó:

h: khối lượng riêng của hà bám trong nước (h = 1300-1025 = 275 kg/m3)

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

Ahi = π/4*[(Di + 2t)2 - Di2]

Di: đường kính tiết diện ngoài trụ hoặc khối đế

t: chiều dầy của hà bám

Li: chiều dài của cấu kiện

Ta có tổng tải trọng hà bám:40.44 (T)

I.3 Tải trọng thượng tầng

- Tải trọng thượng tầng là tải trọng thẳng đứng, bao gồm: khối nhà ở, hoạt tải người sử dụng, dự trữ lương thực thực phẩm, nước ngọt, sàn chịu lực, nhà vệ sinh, kho chứa, sàn công tác…

Ta có tổng tải trọng thượng tầng: 183.7 (T)

I.4 Tải trọng gió

- Tải trọng gió được tính toán theo tiêu chuẩn API với hướng tương ứng với hướng sóng đã chọn:

Hướng: Đông Bắc(NE)

- 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 thành phần động của gió chỉ ảnh hưởng đến thượng tầng xét với KCĐ nên trong đồ án này ta coi trong tính toán tải trọng gió là tĩnh

- Công thức xác định tải trọng gió theo API:

F = 0,0473.Vz2.Cs.A

Trong đó:

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

Vz: Vận tốc gió trung bình đo trong 1h tại độ cao z so với mực nước tính toán (km/h)

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

- Bảng tính toán tải trọng gió lên phần trụ đỡ:

- Bảng tính toán tải trọng gió lên phần thượng tầng:

I.5 Tải trọng sóng và dòng chảy

I.5.1 Xác định lý thuyết sóng tính toán

- Việc áp dụng lý thuyết sóng cho chuyển động sóng sẽ được căn cứ vào tương quan tỉ lệ giữa H/gT2app và d/gT2app

- Xác định chu kỳ biểu kiến Tapp :

I.5.2 Tính toán vận tốc và gia tốc phần tử nước theo lý thuyết sóng Stokes bậc 5

- Chọn hệ trục tọa độ:

+ Trục Ox nằm ngang, trùng với phương chuyển động sóng

+ Trục Oy nằm ngang, vuông góc Ox

+ Trục Oz thẳng đứng, trùng với trục của kết cấu

- Với sóng có chiều cao H, số sóng k và tần số vòng  lan truyền theo chiều dương của trục x, thì

độ dâng của bề mặt chất lỏng so với mặt nước tĩnh có thể biểu diễn dưới dạng sau:

Trong đó: Fn - các thông số hình dạng

a - thông số chiều cao sóng

- các thông số hình dạng của profil sóng, phụ thuộc vào trị số kd = 2d/L (tức là d/L), được tra bảng 2.1 theo phương pháp nội suy

Các thông số a và F22, F33, … ,F55 có quan hệ với chiều cao sóng H:

sin)(

)]

([

)(

cos)

(

)]

([

sh

d z nk sh G k

v

V

t kx n nkd

sh

d z nk ch G k

u

V

n

n z

n

n x

.Fk

R5 = 10U5 – 5U1U4 – 5U2U3 + 5V1V4 + V2V3

S1 = 2V1 – 3U1V2 – 3U2V1 – 5U2V3 – 5U3V2

2

z

5

1 n

n

2

x

)tkx(ncosS2

4 1

Trong đó: C1,C2 : là các thông số tần số sóng, được xác định theo bảng

- Ta có các đặc trưng của chuyển động sóng theo hướng NE:

+ Độ sâu nước tính toán dtt = 33.5 m

I.5.3 Xác định vận tốc dòng chảy theo hướng sóng tính toán

- Coi trục x trùng với hướng truyền sóng, góc giữa phương dòng chảy đáy và dòng chảy mặt hợp với trục x góc α1 và α2(chiều dương ngược chiều kim đồng hồ)

- Hướng dòng chảy mặt và dòng chảy đáy hợp với hướng N góc 2420 và 3000 do đó

α1 = 2420– 1350

= 1070α2 = 3000– 1350

= 1650

- Ta coi dòng chảy biến đổi tuyến tính theo độ sâu Vận tốc dòng chảy theo phương truyền sóng

sẽ được xác định theo công thức

z d

V V V

V dc(z)  dc2  dc1 dc2

Trong đó:

d: là độ sâu nước tinh toán tại chân công trình

Vdc(z): vận tốc dòng chảy tại điểm có độ sâu z so với đáy biển (m/s)

Vdc1: vận tốc dòng chảy mặt theo phương truyền sóng (m/s)

Vdc1 = 1.37(m/s)

Vdc2: vận tốc dòng chảy đáy theo phương truyền sóng (m/s)

)kd(th)CaCa

Vdc2 = 1.19 (m/s)

- Chiếu vận tốc dòng chảy lên 2 phương vuông góc ta được kết quả:

Dòng chảy mặt chiếu theo phương x Vdcmx(m/s) 1.31

Dòng chảy mặt chiếu theo phương y Vdcmy (m/s) -0.4

Dòng chảy đáy chiếu theo phương x Vdcdx (m/s) 0.307

Dòng chảy đáy chiếu theo phương y Vdcdy (m/s) 1.149

- Ta có kết quả tính toán vận tốc dòng chảy theo độ sâu bằng bảng tính excel được in trong phụ lục

I.5.4 Xác định tải trọng sóng và dòng chảy tác dụng lên công trình

- Tổng hợp vận tốc sóng và dòng chảy theo công thức:

Vx = Vsx + Vdc x

Vy = Vdc y

(Bảng tổng hợp vận tốc sóng và dòng chảy được in trong phụ lục)

- Xét tỉ số :D/L = 0,026 < 0,2 => kích thước trụ là bé, ta có thể tính toán tải trọng sóng theo công thức Morisson

- Công thức tính tải trọng sóng đối với vật thể kích thước bé (công thức Morisson)

(N/m)

Trong công thức Morisson thành phần vận tốc theo phương ngang bao gồm 2 thành phần là vận tốc sóng và vận tốc dòng chảy Khi chọn hệ trục toạ độ như trên, đối với công trình dạng trụ tròn thẳng đứng, để đơn giản ta có thể quy tải trọng về các nút trên trục Z của công trình

Thời điểm tính toán là thời điểm tải trọng sóng và dòng chảy tác dụng lên công trình là cực đại Về nguyên tắc phải tiến hành chia chu kỳ T thành 20 thời điểm và chia công trình thành các khoảng 1 m Tính tải trọng sóng và dòng chảy tại từng thời điểm, so sánh ta tìm được thời điểm nguy hiểm nhất ứng với tải trọng tính toán là lớn nhất

Sơ đồ tính tải trọng sóng tác dụng lên trụ đỡ :

nx i

nx n d

q0,5. 

ny i

ny n d

q0,5. 

nz i

nz n d

q0,5. 

- Ta có bảng tính toán tải trọng sóng và dòng chảy tại 20 thời điểm (bảng tính excel cụ thể được

in trong phụ lục)

t (s) Qx (T) Qy (T) Qz (T) 1T/20 -529.081 -7.72272 -24.3246 2T/20 -1370.87 -7.72272 -40.1989 3T/20 -1828.95 -7.72272 -34.6932 4T/20 -1904.92 -7.72272 -23.4915 5T/20 -1705.34 -7.11297 -13.4803 6T/20 -1375.77 -6.54419 -6.72794 7T/20 -1010.17 -6.27684 -2.93222 8T/20 -684.892 -6.27684 -0.97325 9T/20 -327.454 -6.02054 -0.16262 10T/20 -57.6479 -6.02054 -2.1E-32 11T/20 218.5995 -6.02054 0.162624 12T/20 559.147 -6.27684 0.973246

t (s) Qx (T) Qy (T) Qz (T) 13T/20 954.967 -6.27684 2.932224 14T/20 1357.266 -6.54419 6.727938 15T/20 1705.512 -7.11297 13.4803 16T/20 1939.157 -7.72272 23.49149 17T/20 1978.682 -7.72272 34.69321 18T/20 1906.189 -7.72272 40.19892 19T/20 1284.096 -7.72272 24.10682 20T/20 488.0823 -7.72272 2.15E-29

I.6.Tải trọng đẩy nổi

- Khi công trình được hạ thủy xuống biển, ngoài các loại tải trọng kể trên, công trình còn chịu tác động của tải trọng đẩy nổi Tải trọng đẩy nổi này có xu hướng tác dụng vào bản đáy của KCĐ và đẩy công trình lên

- Ta tính tải trọng đẩy nổi theo mực nước tính toán: dtt = 33.5 (m)

- Tải trọng đẩy nổi được xác định theo công thức:

Ta có tổng tải trọng đẩy nổi là: 7830.155 (T)

I.7 Khối lượng nước kèm

- Khối lượng nước kèm chỉ xuất hiện tại phần kết cấu ngập nước trở xuống đáy biển Ở đây ta tính khối lượng nước kèm theo mực nước tính toán dtt = 33,5m Khối lượng nước kèm trên thanh thứ i được xác định theo công thức:

Ta có tổng khối lượng nước kèm là:1588.158 (t)

I.8 Tính toán tải trọng vật liệu dằn

- Do yêu cầu ổn định của khối chân đế đặt ra ngay từ khi công trình vừa mới hạ thủy xong nên khi tính toán, để tăng tính an toàn ta không kể đến phần trọng lượng hà bám

Các tải trọng thượng tầng, bản thân và thiết bị có hướng xuống và có chiều hướng tăng ổn định cho công trình

Tải trọng đẩy nổi hướng lên và làm giảm ổn định công trình

- Ta có các tải trọng tác dụng vào khối chân đế theo phương đứng:

+ Tải trọng thượng tầng và thiết bị: 183.7 (T)

+ Tải trọng bản thân khối chân đế: 6220.67 (T)

+ Tải trọng đẩy nổi lớn nhất : 7830.155 (T)

Chiếu lên trục z có: 7830.155 – 6220.67 – 183.7 = 1425.785 (T)

- Như vậy, dưới tác dụng tải trọng bản thân của công trình (gồm tải trọng thượng tầng và tải trọng bản thân khối chân đế) thì công trình không thể tự ổn định vì tải trọng đẩy nổi quá lớn

- Khi đáy móng của công trình tiếp xúc và liên kết với nền đất thì thành phần tải trọng đẩy nổi

có xu hướng làm xuất hiện ứng suất kéo dưới đáy móng.Vì vậy ở đây ta xác định trọng lượng vật liệu dằn vào khối chân đế sao cho tổng tải trọng thẳng đứng hướng xuống sẽ làm triệt tiêu thành phần ứng suất kéo dưới đáy móng do tải trọng đẩy nổi gây nên

- Chọn loại vật liệu dằn bezit là có trọng lượng riêng là 4.3 (T/m3)

- Trọng lượng vật liệu dằn cần thiết để đảm bảo điều kiện ổn định được xác định thông qua phép lặp sao cho ứng suất bé nhất dưới đáy móng min ≥ 0

min =

-A

N W

M



Trong đó:

N: tải trọng thẳng đứng tác đụng lên đáy móng (giai đoạn vừa thi công xong)

II TÍNH TOÁN BÀI TOÁN DAO ĐỘNG RIÊNG

II.1 Cơ sở lý thuyết

- Do công trình làm việc trong môi trường khắc nghiệt, chịu tác động của môi trường mang tính chất động nên việc tính toán lực tĩnh sẽ không đầy đủ để đánh giá phản ứng của công trình Vì vậy bài toán động phải được xét đến Việc tính dao động riêng của công trình nhằm mục đích đánh giá sự ảnh hưởng động do tải trọng môi trường tác động lên công trình

- Sơ đồ tính của hệ được mô tả dưới dạng một thanh conson, liên kết giữa hệ kết cấu bên trên với môi trường đất dưới đáy biển được coi là ngàm Khối lượng được xem là tập trung tại các nút Trong phạm vi đồ án, phương án được tính toán cho ít nhất là 3 bậc tự do Để đánh giá phản ứng động của môi trường tác động lên công trình ta phải giải bài toán dao động riêng của kết cấu

- Phương trình vi phân cơ bản của bài toán động lực học:

)

(t F KU U C U

M   

Trong đó :

M: Ma trận khối lượng (có kể đến khối lượng nước kèm, hà bám)

U: Vector vận tốc của kết cấu trong hệ tọa độ tổng thể

U: Vector chuyển vị của kết cấu trong hệ tọa độ tổng thể

- Để tìm dao động riêng của kết cấu ta phải đi giải phương trình vi phân:

II.2 Giải bài toán dao động riêng theo sơ đồ gần đúng

II.2.1 Sơ đồ tính gần đúng

- Khối chân đế được xem như thanh conson được ngàm tại đáy biển Phần trụ được coi như thanh có độ cứng EJi , với Ji là momen quan tính tiết diện trụ Chia trụ thành 2 phần: có độ cứng EJ1 và EJ2

- Phần đế móng cũng được coi như một thanh có độ cứng EJ3 với J3 là momen quán tính tiết diện đế móng, chiều dài đoạn này bằng chiều cao đế móng

- Toàn bộ khối lượng khối chân đế, thượng tầng và khối lượng nước kèm, hà bám được quy về thành 3 khối lượng tập trung:

Kết cấu

Trụ Đoạn 1 Đoạn 2 Đoạn 3 Tiết diện (m) D = 7 D = 7 D = 28

t = 0.6 t = 0.6 t = 0.6 Chiều dài (m) 18.5 18.5 11

II.2.2.Xác định ma trận khối lượng M

- Khối lượng tập trung đặt tại đỉnh trụ M1: khối lượng tại đỉnh trụ gồm khối lượng thượng tầng, dầm đỡ thượng tầng, khối lượng 1 nửa đoạn trụ từ M1 đến M2, khối lượng hà bám, nước kèm tính với độ sâu nước tính toán là 33,5 m Nhưng 1 nửa trụ từ đoạn M1 đến M2 trở lên lại không ngập nước nên sẽ không có khối lượng hà bám và nước kèm

M1 =mtt + md + 0,5.m1-2 Trong đó :

mtt :khối lượng thượng tầng

md :là khối lượng dầm đỡ thượng tầng

m1-2 :là khối lượng đoạn trụ từ m1 đến m2

M3 M2 M1

Trong đó : m2-3 : khối lượng đoạn trụ từ M2 đến M3 mhb : khối lượng hà bám

mnk : khối lượng nước kèm

Khối lượng

m1-2 (T) m2-3(T) mnk(T) mhb(T) M2(T) 636.886 633.369 185.717 10.66 831.505

- mhb là khối lượng hà bám

- Khối lượng tập trung tại đế móng M3: gồm có khối lượng đế móng, khối lượng nước kèm, hà bám phần đế móng và 1 nửa khối lượng trụ từ M2 đến M3:

M3 = mnk + mhb + mđế + 0.5.m2-3 Trong đó:

mđế : khối lượng đế móng

mhb : khối lượng hà bám mnk : khối lượng nước kèm

Khối lượng

m2-3(T) mđế(T) mnk(T) mhb(T) M3(T) 633.369 4442.31 1402.44 29.785 6191.22

- Ta có ma trận khối lượng như sau:

Vậy ma trận độ mềm là :

D = 10-5

17, 27 2,31 0, 0192,31 0,937 0, 013

II.2.5.Tính dao động riêng

- Phương trình đặc trưng của dao động riêng :

II.3 Giải bài toán dao động riêng theo sơ đồ tổng thể (thực) của công trình

- Ta giải bài toán dao động riêng theo phương pháp phần tử hữu hạn

- Các cấu kiện được mô tả như sau: Trụ đỡ được mô tả là phần tử shell, các vách cứng là phần tử shell, phần khối đế bao gồm các phần tử shell, các phần tử frame cũng được mô tả đơn giản là các phần tử thanh mặc dù về nguyên tắc phần tử trụ đặc phải được mô tả là phần tử khối

- Sau khi nhập số liệu vào Sap2000 ta tính được chu kì dao động riêng của khối chân đế là: T= 0.5 (s)

III XÁC ĐỊNH HỆ SỐ k đ

- Nếu chu kỳ dao động riêng lớn nhất của công trình nhỏ hơn rất nhiều so với chu kỳ tải trọng

(TDĐR< 3sec ) thì lúc này ảnh hưởng động là nhỏ Bài toán lúc này được xét như bài toán tựa tĩnh, việc đánh giá sơ bộ ảnh hưởng tính chất động của các tác động sẽ được xét qua hệ số động (kđ):

21

1

2 2

U U k

Trong đó:

Uo: biên độ của chuyển vị động

Ut: chuyển vị cực đại do tác dụng tĩnh của tải trọng gây ra

: tần số của dao động riêng ứng với dạng dao động riêng thứ 1

- 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 hưởng của tải trọng động đến phản ứng của công trình là đáng kể Lúc này phải tính toán động kết cấu

- Kết luận: Chu kì tính toán của kết cấu chân đế nhỏ hơn 3s nên không phải xem xét ảnh hưởng

động trong quá trình tính toán mà giải bài toán theo phương pháp tựa tĩnh, trong đó hệ số động lực học được tính như sau:

21

1

2 2

U

U k

+ Các tổ hợp trong điều kiện biển cực hạn:

Các tổ hợp này bao gồm các trường hợp tải trọng: Tải trọng cố định, tải trọng tạm thời, tải trọng thủy tĩnh và nếu cần thì phải xét cả tải trọng do biến dạng

+ Các tổ hợp tải trọng vận hành:

Phải xác định được điều kiện biển cực hạn của môi trường để cho phép công trình vận hành để tổ hợp cùng tải cố định, tải tạm thời, tải thủy tĩnh, tải trọng do biến dạng

+ Tổ hợp tải trọng khi có sự cố:

Các tải trọng do sự cố phải được tổ hợp cùng với tải cố định, tải tạm thời, tải thủy tĩnh, nếu cần phải xét đến tải trọng do biến dạng cùng tải trọng môi trường và tải trọng vận hành tương ứng

- Trong đồ án thiết kế nhóm xét tổ hợp tải trọng trong giai đoạn khai thác:

I XÂY DỰNG SƠ ĐỒ TÍNH CHO KHỐI CHÂN ĐẾ

I.1 Mô hình hóa kết cấu khối chân đế theo phương pháp phần tử hữu hạn

- Kết cấu chân đế công trình biển trọng lực bê tông được rời rạc hóa theo phương pháp phần tử hữu hạn với các loại phần tử vỏ, phần tử khối và các phần tử thanh

- Trong phạm vi đồ án, nhóm em sử dụng phần mềm Sap2000v14 để mô hình hóa kết cấu

+ Trụ đỡ, bản đáy, bản thành, bản nắp được mô tả là các phần tử SHELL

+ Dầm chính, dầm phụ, dầm vòng, cột được mô tả là các phần tử FRAME