tinh toán Tinh lực dàn khoan

Tải trọng tính toán từ môi trường xung quanh Phần lớn các công trình ngoài khơi chịu những tác động nguy hiểm trong điều kiện chịu gió bão cực đại max của khu vực mà công trình được xây

Chương 3

PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TĨNH LỰC GIÀN KHOAN

Trong chương này, chúng ta sẽ đề cập đến phương pháp tính toán tĩnh lực các công trình ngoài khơi được làm bằng thép hoặc bêtông Đồng thời cũng xem xét áp lực nước bên ngoài lên các nhân tố dạng hình trụ của công trình với sự phá hủy của các nút liên kết Chúng có thể có những giá trị đặc biệt từ hiệu ứng động lực học

3.1 Tải trọng tính toán từ môi trường xung quanh

Phần lớn các công trình ngoài khơi chịu những tác động nguy hiểm trong điều kiện chịu gió bão cực đại (max) của khu vực mà công trình được xây dựng

- Con sóng tính toán thường được dùng với tần suất 100 năm, các tham số của gió phải phù hợp với các phương pháp đã nêu trong chương 2

- Sóng bề mặt được xác định trong tính toán thống kê, thường được đặc trưng bởi chiều cao và chiều dài lớn nhất của sóng điều hòa

Bảng 3.1: Một số đặc trưng cơn bão tính toán và chiều cao tĩnh không của sàn khoan vùng

bờ biển Mỹ

Vùng Chiều cao

sóng (m)

Chiều dài sóng (m)

Độ vượt cao của sàn (m)

Vận tốc của gió bão (m/s)

Eo biển Bắc

- Ngoài các tham số sóng và gió tính toán nêu trên cần thiết phải xem xét đến yếu tố thủy triều tại từng khu vực cụ thể

- Độ vượt cao của sàn thiết kế phụ thuộc vào biên độ thủy triều (xem Bảng 3.1)

- Cuối cùng, trên cơ sở nghiên cứu các điều kiện riêng, cần đánh giá vận tốc tính toán của dòng chảy, mà dòng chảy đó làm tăng thêm vận tốc chuyển động của hạt nước do sóng gây nên Dòng chảy do gió bão tác động lên mặt nước cũng có thể đóng vai trò đặt biệt Trong một số khu vực ven biển, các dòng chảy có liên quan đến triều dâng và dòng chảy cửa sông cũng có thể có ý nghĩa

3.2 Tính toán công trình bằng thép

Các công trình giàn khoan bằng thép trên thềm lục địa thường có chân đế dạng hình tháp Hình dạng đặc trưng của công trình này được thể hiện trong Hình 3.1 Thường thì đó

là khối chân đế được chế tạo trong bờ rồi kéo ra biển đến vị trí xây dựng, dựng vào vị trí thẳng đứng và được cố định vào nền đất bằng các cọc thép ống đóng xuyên qua các cột rỗng của khối chân đế (KCĐ) Sau đó, phần kết cấu thượng tầng gồm sàn và thiết bị được lắp đặt lên trên KCĐ

KCĐ thường được chế tạo từ các phần tử thanh ống thép hình trụ đối với các cột đứng cũng như các liên kết ngang Các cột đỡ thường là thẳng đứng, trừ các cột ở vòng ngoài cùng thông thường là xiên để tạo nên phần mở rộng phía dưới KCĐ nhằm làm tăng sức kháng của công trình đối với tải trọng ngang Thường độ xiên của các cột đỡ so với phương thẳng đứng không quá 100 Điều này không hề gây khó khăn cho việc đặt KCĐ lên đáy biển Các cọc giữ được dùng với hai mục đích: đảm bảo việc truyền các tải trọng đứng của khối thượng tầng xuống nền đất và tạo sự ổn định của công trình dưới tác động của tải trọng ngang Người ta thường sử dụng các ống thép có đường kính 1.2m hoặc lớn hơn và chiều dày thành từ 25mm trở lên để làm cọc giữ Để tạo nên sự truyền lực đáng tin cậy trên nền đất biển, cọc giữ thường có chiều dài nằm trong đất khoảng 60m hoặc lớn hơn tùy theo điều kiện địa chất công trình cụ thể

Hình 3.1: Giàn khoan thép cố định

Về cơ bản, khi tính toán công trình giàn khoan bằng thép, cần chú ý đến các bộ phận chính sau đây:

1 Phần xây dựng phía trên phục vụ đội khoan

2 Trụ chống cơ bản bằng thép

3 Nền đáy biển

4 Cọc gia cố móng

Để đánh giá sơ bộ ứng suất trong cấu kiện của công trình đối xứng, cần xem xét hai trường hợp tải trọng sóng có hướng song song hoặc vuông góc với các mặt phẳng qua trục đối xứng của công trình Khi đó sơ đồ tính toán là những khung phẳng như trong Hình 3.2

Có thể xét tới các phần tử nằm ngoài hệ phẳng bằng cách kể đến chúng khi xác định hợp lực do tác động của các tải trọng phân bố và quy về đầu mút của những phần tử này Dĩ nhiên khi cần có các kết quả chính xác hơn, cần phải xét bài toán ba chiều không gian với gió, sóng, dòng chảy tác dụng theo mọi phương Các tính toán như vậy chỉ có thể được tính toán trên máy tính điện tử với việc tự động hóa hoàn toàn quá trình tính toán tải trọng và xác định phản ứng của công trình chịu tác động của các lực này

Hình 3.2: Sơ đồ tính toán giàn khoan

Ghi chú: (1) Nền đáy biển; (2) Chiều dài đoạn trụ tương đương; (3) Hướng lan truyền sóng; (4) Khung phẳng tính toán

Ứng suất trong các phần tử của công trình (tức kết cấu KCĐ) nếu tính toán một cách chính xác thì cần xét đến sự tương tác giữa công trình và móng cọc Điều này rất quan trọng trong các trường hợp khi công trình tựa lên nền đất yếu, và tại đầu cọc có thể có các chuyển vị và góc xoay đáng kể Trong sơ đồ tính (Hình 3.2), các cọc có thể được thay bằng cọc tương đương là các phần tử thanh bị ngàm ở đầu dưới và có đặc trưng độ cứng ở đầu trên (tại mức đáy biển) gần giống với các đặc trưng của cọc thật được cắm vào đất Việc đưa các phần tử cấu trúc này vào sơ đồ tính KCĐ cho phép tiến hành tính toán đồng thời công trình và móng cọc Trong tính toán thực hành, phần KCĐ cũng có thể được giả thiết thay bằng các cọc tương đương được ngàm tại một vị trí cố định nào đó ở đầu cọc Vị trí ngàm này cần được tính toán cụ thể dựa theo các tiêu chuẩn, quy định liên quan (dựa theo chiều dài chịu uốn, chiều dài chịu nén)

Lưu ý rằng các vấn đề tính toán KCĐ thép được xem xét ở đây thích hợp cho các kết cấu có dạng hình tháp

Sau khi tính toán xác định được kích thước cấu kiện phù hợp trọng tải của môi trường xung quanh, cần tính toán kiểm tra sức chịu tải trong quá trình vận chuyển và lắp

đặt công trình trên biển Trong quá trình này, các trụ cơ bản được đặt nằm ngang Nội dung liên quan đến quá trình vận chuyển và lắp đặt giàn khoan sẽ được đề cập trong chương sau

3.3 Sự tăng ứng suất do uốn dọc

Nếu các nhân tố của công trình vừa chịu uốn vừa chịu nén dọc trục (điều này thường xảy ra) thì ứng suất chính từ mômen uốn được xác định trên cơ sở các bài toán cơ học được xây dựng bằng phương pháp ma trận trước đây là chưa chính xác, mà cần phải có sự hiệu chỉnh ứng suất do uốn bằng cách kể thêm đến ảnh hưởng của lực dọc

Trường hợp cấu kiện chịu uốn và kéo dọc trục đồng thời thì ứng suất nhận được từ kết quả cần phải giảm đi so với trường hợp uốn dọc thuần túy Ngược lại, cấu kiện chịu uốn và nén dọc trục đồng thời thì ứng suất cần tính toán hiệu chỉnh tăng thêm Lượng ứng suất pháp tăng thêm thông qua hệ số α ≥1 được xác định như sau:

















th N m

C





 1

(3.1)

Với:

N

 : Ứng suất pháp từ lực dọc trục (trường hợp chịu nén, N 0)

th

 : Ứng suất pháp tới hạn khi cấu kiện mất ổn định do uốn dọc

M

C : Hệ số phụ thuộc vào dạng tải trọng và có giá trị: 0.4C M 1

Có thể lấy C M 1 cho các tính toán thiên về an toàn Sự đánh giá chính xác ứng suất

do uốn dọc đối với các phần tử nối nhau bằng các nút cứng là hết sức khó khăn Ứng suất

do uốn dọc gây ra được xác định theo công thức sau:

2 2















r L

E

th





Với:

E: Môđun đàn hồi;

L: Chiều dài cấu kiện;

r: Bán kính mặt cắt ngang phần tử;

: Hệ số của chiều dài quy đổi (hay chiều dài tự do của phần tử), phụ thuộc vào sự liên kết giữa hai đầu cấu kiện (tra theo Bảng 3.2)

Bảng 3.2: Giá trị của 

Ở đây, chỉ xét một số hình thức mất ổn định của thanh khi chịu uốn dọc Các liên kết còn lại là tự do đối với các chuyển vị tương đối của các đầu thanh

Đối với các phần tử có đầu mút được cố định (khử các dịch chuyển ngang đáng kể nào đó), giá trị của β luôn nằm trong khoảng từ 0.5 đến 1 tùy thuộc vào độ cứng của các liên kết nút cụ thể Vì vậy, có thể dùng giá trị β = 1 cho các đánh giá thiên về an toàn

3.4 Ứng suất trong các trụ tròn bằng thép khi chịu

áp lực ngoài

3.4.1 Giả thiết ống trụ tròn tự do (không liên kết)

Xét ống trụ tròn có hai đầu tự do như trong Hình 3.3 Áp lực lên ống tròn được tính như sau:

Với: P R là áp lực phía ngoài ống; P là áp lực phía trong ống r

Chiếu lực lên phương thẳng đứng, ta có:

 sin 0 2

0 0

0   

dz d r

P

Với  là bề dày thành ống

Hình 3.3: Sơ đồ tính toán ứng suất trong trụ tròn tự do

Giả thiết thành ống rất mỏng (tức là 1

r

 Ta có:

P r L

Lúc đó, ứng suất tiếp tuyến theo mặt cắt ngang ống:





L

 

Ứng suất dọc trục:











2

2

2 P r r

P r

Như vậy, có thể thấy rằng đối với ống tự do, ứng suất tiếp tuyến theo chu vi ống có giá trị lớn gấp đôi ứng suất theo trục ống

Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong thành ống:

z z







   ;

E z









Trong đó,

z

 là biến dạng dọc trục của ống;



 là biến dạng theo chu vi ống;

E là mô đun đàn hồi của vật liệu thép;

 là hệ số Poisson của vật liệu

Nếu ký hiệu L là độ giãn dài của ống, U là sự biến đổi chiều dày thành ống, thì: r

L

L z





r

U r

r U









2

2 2







Ta nhận được:





E

L r P

 1 0.5

2 





E

r P

Ví dụ tính toán:

Cho giàn khoan như Hình 3.4 với các thông số cơ bản sau: đường kính ngoài của ống 0.62m; ống dày 12mm

Hãy xác định ứng suất và biến dạng phát sinh trong phần tử 1-2 của giàn khoan Xem phần tử 1-2 là tự do

Lấy  10KN/m3,  0.26

Hình 3.4: Sơ đồ giàn khoan ví dụ

Hướng dẫn:

Áp lực thủy tĩnh tác dụng bên ngoài ống:

a

P  0 

/

10KN m





Xác định áp lực bên ngoài:

MPA KPA

m KN x

h P P

P R  r  0 10 60600 / 2 600 0.6

Theo công thức (3.6) và (3.7) và dựa vào các giá trị đã cho: r 0.3m;  0.012m

Như vậy :

MPA x

r P

15 012

0

3 0 6 0

















MPA x

x r

P

012 0 2

3 0 6 0 2

















3.4.2 Giả thiết ống trụ có liên kết

Trong trường hợp ống trụ là có liên kết, phần tử được xem như một dầm chịu uốn

Từ lý thuyết uốn dầm, ta có biến dạng theo các phương như sau:

2 2

dz

u d

y r

z 

L=10m

u r





Hình 3.5: Dầm chịu uốn

Trong đó, y là khoảng cách tính từ mặt trung bình đến điểm đang xét

















u d vy r

u v



















u d y r

u v v

z







2





 dy y

Thay giá trị z vào biểu thức (3.17), ta có:

2 2

3

1 12

dz

u d v

E



(3.18)

dz

dM

Với M, Q lần lượt là mômen và lực cắt trên một đơn vị diện tích dải trụ có kích thước



rd

dz.

Hình 3.6: Mô men, lực cắt trên một đơn vị diện tích của dải có kích thước dz .r d

Giả sử:

q dz

dQ



hay

dz

u d v

4 2

3

1 12

.

(3.21)

Hình 3.7: Mặt cắt dải tính toán

Chiếu Hình 3.7 lên phương thẳng đứng ta có:

2 2

N d

r P d r

Hay

r

N P



 2

2

0



 

 dy

Hay

r

U E

1

2

0 





Phương trình đối với biến dạng hướng tâm:

r

U E dz

U d





4 2

3

1

1 12









(3.26)

Giải phương trình vi phân bậc 4 với U này, khi r Pconst, ta được:

sin

cos sin

cos

2 4

3 2

1

E

r P z C

z C

e z C

z C

e

(3.27) Trong đó, C1,C2,C3,C4 là hằng số tích phân

2 2

2 4

2

1 3 4











 

























r D

r E

 Trường hợp liên kết 2 đầu phần tử là loại liên kết chống chuyển vị thẳng + xoay (liên kết ngàm)

dz

dU

 Trường hợp thanh nửa vô hạn (ngàm một đầu):

Khi z   C3 C4 0

Khi z 0   0

dz

dU

U r r



2

2 1

E

r P C

C   Như vậy, chuyển vị hướng tâm sẽ là:

E

r P

 1 cos sin

2





(3.29)

Từ đó, các ứng suất được xác định như sau:

z z

e K r

P r







2

2 3 2



(3.30)

 e   K z  K z

r P r







 1 3 cos 1 3 sin

2

2 2













(3.31)

Trong đó,     2

1 2

1

Dấu “+”, “-“ đặc trưng cho biên ngoài, biên trong

Lực cắt hướng tâm Q được xác định theo công thức sau:

dz

U d E









cos 2

2

1 12

3 3 2

3









Ứng suất dọc trục lớn nhất khi

2







y :

 2 2

1

2 3 2















 P r 

z





Ứng suất tiếp lớn nhất tại mặt trung hòa khi y0:



1 3

2 4

3

4 2





3.5 Tiêu chuẩn bền đối với cấu kiện thép trong công trình ngoài khơi

Thép có giới hạn chảy 280MPa, giới hạn bền khoảng 420MPa

Yêu cầu ứng suất trong các cấu kiện chay

Như vậy vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi (biến dạng không tồn tại khi dỡ tải)

Mục đích của việc tính toán là xác định kích thước của cấu kiện đảm bảo chịu được những tải trọng cho trước

Như vậy kích thước của cấu kiện được xác định từ điều kiện: Với mọi tải trọng tính toán, ứng suất trong cấu kiện không được vượt quá giá trị cho phép

Giá trị cho phép của ứng suất pháp dọc trục z và ứng suất tiếp  trong các cấu kiện của công trình ngoài khơi có thể được xác định theo tiêu chuẩn của ứng suất tiếp lớn nhất vì độ lớn của ứng suất này chỉ liên quan đến áp lực bên ngoài

Nếu xem ứng suất pháp dọc trục là tổng của ứng suất phân bố đều theo mặt cắt từ lực dọc N và từ mômen uốn M thì tiêu chuẩn bền theo điều kiện làm việc được mô tả như sau:

Khi  0; z 0 ( hoặc  0; z 0) sẽ là:

       1

















M M N

N

(3.36)

Còn khi  0; z 0 ( hoặc  0; z 0):

    1

M M N

N









và

  1









(3.37)

Với      N ,M , là ứng suất cho phép trong điều kiện chúng tác dụng riêng rẽ Những giá trị này được qui định phù hợp với giới hạn của ứng suất chảy T của vật liệu, bởi các giá trị của ứng suất pháp dọc trục tiêu chuẩn Z , KP và ứng suất tiếp tuyến tiêu chuẩn ,KP lúc chịu nén Khi đó cấu kiện hoặc là mất ổn định hoặc là mất hình dạng trụ ban đầu

 Ứng suất dọc trục tiêu chuẩn (khi làm cho cấu kiện mất ổn định):

r

E KP

Z



Với: E: Module đàn hồi của vật liệu;

δ: Chiều dày của thành ống trụ;

r: Bán kính ống trụ

 Khi ống bị biến dạng, ứng suất tiếp tiêu chuẩn được xác định:

2 , 0.22 













r

E KP



Khi  0; z 0 (tương ứng với trường hợp cấu kiện bị kéo thuần túy): sự mất ổn định không xảy ra Các ứng suất cho phép      N ,M , chỉ phụ thuộc vào giới hạn chảy

T

 của vật liệu

Chúng được xác định nhờ các hệ số dự trữ

 N 0.6T;  M 0.67T;   0.5T (3.40) Khi  0; z 0 (tương ứng với trường hợp nén), thì các ứng suất cho phép cần phải tính đến khả năng chịu uốn dọc của cấu kiện Những giá trị của các ứng suất có thể nhận được ở Bảng 3.3

Bảng 3.3: Các giá trị ứng suất cơ bản

ƯS nén dọc trục tiêu chuẩn ƯS tiếp nén tiêu chuẩn

E

KP

Z ,

T

N



T

M



T

KP



T





0.50

T

KP



,

3.6 Tính toán nút liên kết

Hình 3.8: Nút liên kết giữa thanh sườn và thanh trụ

Khi tính toán tải trọng gió và sóng, ta xem rằng nội lực trong thanh sườn được truyền sang thành của thanh trụ Như vậy nhất thiết phải xét khả năng chọc thủng thành thanh trụ

do nội lực trong thanh sườn gây ra

Để đánh giá một cách gần đúng ứng suất tiếp tuyến khi xuất hiện khả năng chọc thủng, có thể bỏ qua độ cong thanh trụ và sơ đồ tính toán được xem như tấm phẳng có hình elip với hai trục tương ứng là: 2R b sin và 2R b

Với R b: Bán kính thanh sườn (thanh nghiêng);

: Góc nghiêng của thanh sườn

Nếu ký hiệu f là thành phần nội lực pháp tuyến từ thanh sườn, thì ứng suất tiếp x

trong thành ống do lực dọc gây ra:

C

f x

N



Với δ là chiều dày thành trụ; C là chiều dài đường viền của mặt cắt ngang ống trụ

(chu vi đường viền giao tuyến của ống trụ)

Tương tự, nếu ký hiệu m là mômen truyền từ thanh sườn sang ống trụ (lấy mômen tại

điểm sát với điểm nối phía trên), thì ứng suất tiếp tương ứng của nó m được tính như sau:

1

I

y m

M 

  ; với 

C ds y

Với y là khoảng cách từ tâm Ellip

Giá trị ứng suất đạt cực đại tại yR b sin Tổ hợp các giá trị ứng suất từ lực nén

dọc trục N và momen m, ta nhận được giá trị giới hạn của ứng suất tiếp khi xuất hiện chọc

thủng

2 2 1

x N

R

m R

f









1

 , 2 là những hệ số không thứ nguyên

C

R b

2

1



  ;

1

3 2

1 sin

I

R b



