Đánh giá khả năng chịu tải vượt mức thiết kế của kết cấu công trình biển cố định bằng thép khi gia hạn khai thác – áp dụng vào điều kiện việt nam tt

Mục đích, nội dung nghiên cứu Mục đích của luận án là nghiên cứu xây dựng phương pháp luận đánh giá kết cấu công trình biển cố định bằng thép chịu tải trọng môi trường vượt mức thiết kế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

VŨ ĐAN CHỈNH

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI VƯỢT MỨC THIẾT KẾ CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP KHI GIA HẠN

KHAI THÁC – ÁP DỤNG VÀO ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Biển

Mã số: 9580203

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2019

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Xây dựng

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Phạm Khắc Hùng

Phản biện 1: PGS.TS Phạm Văn Thứ

Phản biện 2: PGS.TS Bùi Đức Chính

Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Văn Vi

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp

tại……… Vào hồi ……… Giờ……… ngày ………… Tháng ………… năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện Quốc gia và thư viện Trường

………

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Luận án lựa chọn đề tài dựa trên hai lý do chính: (1) Nhu cầu gia hạn cho cácgiàn khoan dầu khí đang khai thác ở Việt Nam sau khi hết tuổi thọ thiết kế trong hiệntại và tương lai là cấp thiết; (2) Phương pháp đánh giá xác định thời gian gia hạn chocác kết cấu công trình biển chưa được đề cập đến trong các tiêu chuẩn hiện hành vàđang là xu hướng nghiên cứu trên thế giới để ứng dụng cho các dự án thực tế

Mục đích, nội dung nghiên cứu

Mục đích của luận án là nghiên cứu xây dựng phương pháp luận đánh giá kết

cấu công trình biển cố định bằng thép chịu tải trọng môi trường vượt mức thiết kế đểxác định thời gian gia hạn khai thác chấp nhận được cho các công trình đã hết hạn sửdụng trong điều kiện biển Việt Nam

Nội dung nghiên cứu bao gồm 4 chương nêu các vấn đề tổng quan, tóm tắt cơ sở

lý thuyết phân tích kết cấu, xây dựng phương pháp đánh giá kết cấu và ứng dụng đểđánh giá gia hạn cho một công trình cụ thể trong điều kiện biển Việt Nam

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Đối tượng nghiên cứu của luận án là kết cấu công trình biển cố định bằng thépdạng jacket đã hết hạn sử dụng Phạm vi nghiên cứu là xây dựng phương pháp đánh

giá an toàn kết cấu khi chịu tải trọng môi trường vượt mức thiết kế theo điều kiện chảy dẻo toàn phần và mở rộng vết nứt trên các mặt cắt tiết diện phần tử kết cấu,

kể đến tính chất ngẫu nhiên của tải trọng sóng, kích thước tiết diện ống, mô đun đàn

hồi và giới hạn chảy của vật liệu

Cơ sở khoa học

Luận án xây dựng phương pháp đánh giá kết cấu dựa trên các cơ sở khoa học sauđây: Lý thuyết phân tích kết cấu khung giàn với tính chất phi tuyến về hình học và vậtliệu; Lý thuyết phân tích mở rộng vết nứt do mỏi tại các điểm nóng của kết cấu; Cơ sở

lý thuyết các quá trình ngẫu nhiên, lý thuyết xác suất và lý thuyết độ tin cậy của kếtcấu công trình

Phương pháp nghiên cứu của luận án

+ Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu đánh giá kết cấu phi tuyến đàn dẻo lý tưởng

và phân tích mỏi trong giai đoạn mở rộng vết nứt theo mô hình ngẫu nhiên

+ Nghiên cứu ứng dụng: Nghiên cứu thiết lập quy trình và các bảng biểu mẫu kết hợp với các phần mềm chuyên dụng để đánh giá kết cấu công trình biển cố định

bằng thép khi chịu tải trọng môi trường vượt mức thiết kế theo mô hình xác suất.+ Thực hiện tính toán bằng số cho một kết cấu giàn cụ thể để đánh giá, kiểm nghiệm cơ sở lý thuyết của luận án

Đóng góp mới

Về phương diện khoa học : Luận án đề xuất một phương pháp mới để đánh giá

an toàn cho kết cấu công trình biển cố định bằng thép khai thác trong vùng biển ViệtNam nhưng đã hết hạn sử dụng, khi cho phép chịu tải vượt mức thiết kế trong thờigian kéo dài khai thác Phương pháp được xây dựng dựa trên mô hình độ tin cậy về độbền theo điều kiện chảy dẻo toàn phần và giới hạn phá hủy mỏi theo điều kiện lantruyền chậm vết nứt của các tiết diện phần tử kết cấu chính

Về phương diện thực tiễn: Phương pháp đánh giá được xây dựng trong luận án là

có ý nghĩa thực tiễn, phục vụ nhu cầu đánh giá gia hạn khai thác và nâng cấp giàn, làvấn đề mới, cấp thiết trong điều kiện Việt Nam hiện nay

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

1.1 Tổng quan tình hình phát triển kết cấu công trình biển cố định bằng thép trên thế giới và Việt Nam

Kết cấu công trình biển cố định bằng thép có dạng khung giàn không gian, liênkết với đất thông qua hệ thống móng cọc hoặc móng trọng lực bê tông cốt thép Kếtcấu được xây dựng ở ngoài khơi để phục vụ khai thác dầu khí và các dịch vụ kinh tếkhác, hoặc các nhiệm vụ quốc phòng… Trong luận án, đối tượng chính được xem xét

là các kết cấu công trình biển cố định bằng thép dạng móng cọc

định bằng thép trên thế giới và tại Việt Nam

Kết cấu công trình biển cố định bằng thép được sử dụng khá phổ biến trên thếgiới với khoảng 6800 giàn kiểu Jacket bằng thép phân bố ở phạm vi 53 quốc gia.Riêng tại Việt Nam hiện nay đã có trên 70 CTB cố định bằng thép kiểu Jacket đượcxây dựng, chủ yếu ở độ sâu nước khoảng 50m Công trình có độ sâu nước lớn nhất làgiàn khai thác khí tại mỏ Lan Tây với 125m nước, độ sâu nước nhỏ nhất là giàn đầugiếng Thái Bình với 25m nước Trong tình hình hiện nay, để tiết kiệm chi phí, các chủđầu tư của các mỏ ở Việt Nam đang hạn chế xây dựng các giàn mới mà tập trung vàohai giải pháp chính:

+ Nâng cấp công nghệ giàn đang khai thác và kết nối mỏ để tăng sản lượng;

+ Kéo dài thời gian khai thác của giàn dài hơn so với tuổi thọ thiết kế.

1.2 Các tiêu chuẩn hiện hành áp dụng trong thiết kế và đánh giá an toàn kết cấu công trình biển cố định bằng thép

Các trạng thái giới hạn áp dụng trong thiết kế được quy định trong các tiêuchuẩn, quy phạm phổ biến hiện nay như API, DnV, ISO… bao gồm: Trạng thái giớihạn cực hạn (ULS), trạng thái giới hạn mỏi (FLS), trạng thái giới hạn sử dụng (SLS),trạng thái giới hạn phá hủy lũy tiến (PLS) và sự cố (ALS) Các trạng thái giới hạnđược sử dụng không chỉ phục vụ thiết kế kết cấu giàn mới mà còn phục vụ đánh giágiàn hiện trạng Theo API RP 2A, kết cấu giàn được đánh giá với ba cấp độ: Kiểm tratheo mức độ thiết kế, phân tích độ bền cực hạn và phân tích rủi ro

1.3 Các nghiên cứu có liên quan đến vấn đề của luận án

1.3.1 Một số nghiên cứu trên thế giới

a) Các phương pháp phân tích phi tuyến kết cấu công trình biển cố định bằng thép theo mô hình ngẫu nhiên

b) Các nghiên cứu dự báo lan truyền vết nứt ngẫu nhiên do mỏi theo lý thuyết cơ học phá hủy

c) Các nghiên cứu đánh giá an toàn kết cấu dựa trên phân tích tương tác bền mỏingẫu nhiên của các tác giả Moan, T., (2002); Gerhard Ersdal, (2005) hay tập thểtác giả của đại học Surrey năm 2000

1.3.2 Nghiên cứu đánh giá an toàn kết cấu công trình biển theo phương pháp xác

suất kể đến tương tác bền mỏi ở Việt Nam

a) Phương pháp đánh giá an toàn của các loại kết cấu công trình biển theo quan điểm của GS Phạm Khắc Hùng

b) Luận án của TS Phạm Hiền Hậu (2010)

c) Luận án của TS Mai Hồng Quân (2014)

1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án

Dựa trên phân tích các tiêu chuẩn và các nghiên cứu đã công bố có liên quan,

luận án định hướng nghiên cứu phương pháp đánh giá khả năng chịu tải vượt mức thiết kế của kết cấu công trình biển cố định bằng thép đã hết hạn sử dụng theo điều

kiện chảy dẻo toàn phần và điều kiện mở rộng vết nứt do mỏi trên các mặt cắt tiết diệnphần tử kết cấu chính Căn cứ vào kết quả đánh giá sẽ xác định được khoảng thời giangia hạn cho công trình với xác suất rủi ro chấp nhận được

1.5 Đề xuất nội dung nghiên cứu chính của luận án

- Nội dung 1: Nghiên cứu dự báo xác suất xuất hiện của một điều kiện môi trường

vượt mức thiết kế bất kỳ trong vùng biển Việt Nam theo thời gian gia hạn

- Nội dung 2: Nghiên cứu xây dựng phương pháp đánh giá kết cấu trong thời gian

gia hạn sau khi hết tuổi thọ thiết kế Cơ sở của phương pháp là đánh giá dựa trên độtin cậy về bền theo điều kiện chảy dẻo toàn phần và độ tin cậy về mỏi theo điềukiện lan truyền vết nứt trên các mặt cắt tiết diện kết cấu

- Nội dung 3: Nghiên cứu đánh giá rủi ro và xác định thời gian kéo dài khai thác cho

phép cho kết cấu công trình

1.6 Giới hạn của luận án

Để giảm độ phức tạp của vấn đề nghiên cứu mà vẫn đảm bảo tính thực tiễn, luận ánđặt ra một số giới hạn như sau:

- Về tính chất ngẫu nhiên: Mô đun đàn hồi, giới hạn chảy của vật liệu và đặc trưng

hình học tiết diện các phần tử kết cấu chính được xem là các đại lượng ngẫu nhiênphân phối chuẩn; Sóng được coi là quá trình ngẫu nhiên dừng, chuẩn, ergodic

- Về phương pháp phân tích phi tuyến kết cấu: Kết cấu được phân tích với lý thuyết

biến dạng lớn; Giới hạn phân tích kết cấu theo phương trình cân bằng tĩnh học, khicoi tải trọng sóng như một tải trọng tựa tĩnh

- Về giới hạn phân tích bền hệ thống: Vật liệu kết cấu làm việc theo mô hình dẻo lý

tưởng; Kết cấu coi là bị phá hủy khi một phần tử kết cấu chính (Ống chính, cọc) bịphá hủy do chảy dẻo toàn phần, nhưng hệ thống kết cấu chưa phá hủy; Không xétđến tính chất chảy dẻo của nút ống

- Về giới hạn phân tích mỏi: Phân tích lan truyền vết nứt do mỏi theo luật Paris; Giả

thiết vết nứt lan truyền chậm, trong một trạng thái biển tốc độ lan truyền vết nứt coi

là đều; Giả thiết vết nứt mở rộng theo hình dạng bán e-líp;

- Về một số yếu tố ảnh hưởng khác: Các ảnh hưởng của ăn mòn, hà bám, khuyết tật

do va đập, điều kiện địa chất… sẽ được xem xét khi có số liệu khảo sát hiện trạng

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP KHI CHỊU TẢI VƯỢT MỨC THIẾT KẾ

2.1 Mở đầu

Chương 2 gồm hai nội dung chính: Tổng kết phương pháp phân tích kết cấu côngtrình biển cố định bằng thép khi chịu tải vượt mức thiết kế; Nghiên cứu cơ chế phá hủymột số kết cấu giàn đang khai thác trong khu vực biển Việt Nam Nội dung chương 2được ứng dụng để xây dựng phương pháp đánh giá kết cấu trong chương 3

2.2 Phân tích các yếu tố vượt mức thiết kế khi kéo dài khai thác kết cấu công trình biển cố định bằng thép

Luận án chỉ xét hai yếu tố vượt mức chính trong thời gian kéo dài khai thác:

- Các vết nứt do mỏi tiếp tục phát triển gây ra sự thu hẹp tiết diện chịu lực;

- Kết cấu gặp phải các cơn bão lớn vượt mức thiết kế

Các trạng thái biển vượt mức thiết kế sẽ được tăng từ nhỏ đến lớn trong thời giankhai thác kéo dài Tương ứng với các trạng thái biển này, kết cấu sẽ được phân tích,đánh giá rủi ro và quyết định thời gian kéo dài khai thác chấp nhận được.

2.3 Cơ sở lý thuyết phân tích kết cấu công trình biển cố định bằng thép khi chịu tải vượt mức thiết kế

2.3.1 Phân tích tĩnh phi tuyến kết cấu công trình biển cố định bằng thép

Hình 2.1 Quy ước hệ tọa độ và các chuyển vị của phần tử thanh

 Khi phân tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcn tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcch kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc c u bi n dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc ng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc n, quan h gi a bi n dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc ng dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc cết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc ấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc ết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc ạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc ớn, quan hệ giữa biến dạng dọc ệ giữa biến dạng dọc ữa biến dạng dọc ết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc ạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc ọctích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcrục ( c (ục ( xx) và các thành phần chuyển vị tuân theo công thứcc tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọchành ph n chuyển vị tuân theo công thức n v tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcuân tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcn tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcho công thứcng tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọch cần chuyển vị tuân theo công thức ển vị tuân theo công thức ị tuân theo công thức ứcGrục (n Với kết cấu thanh, biến dạng tại các điểm trên thanh được biểu i kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc c u tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọchanh, bi n dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc ng tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc i các thành phần chuyển vị tuân theo công thứcc i m tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcrục (ên thanh được biểun tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọchanh ớn, quan hệ giữa biến dạng dọc ết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc ấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc ết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc ạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc ạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc điểm trên thanh được biểu ển vị tuân theo công thức điểm trên thanh được biểuược biểuc bi uển vị tuân theo công thứcdạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọci n tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcho công thứcng tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọch c:ễn theo công thức: ức

u

1   v  2

 xx   ên thanh được biểu      

x 2 ên thanh được biểu  x   x  

 Thiết lập các hàm hình dáng u(x), v(x), w(x) tại hai đầu nút phần tử dựa trênphương trình đường đàn hồi của các phần tử phụ thuộc trạng thái chịu lực Thiếtlập ma trận độ cứng đàn hồi phi tuyến của phần tử kết cấu:

 k uu k uv kuw 

ên thanh được biểu 

(2.4)

(2.5)

Các ma trận con liên hệ giữa chuyển vị dọc trục với các chuyển vị ngang và chuyển vị xoay:

 g 0  G 

G

G 

G ên thanh được biểu 1

 g i T   ên thanh được biểu , , , , , 

0 g 2 S i ên thanh được biểu N Q y Q z M x M y M

 Phân tích phi tuyến kết cấu theo phương pháp Phần tử hữu hạn

Tải trọng được gia tăng theo từng bước Tương ứng với mỗi bước, giải phương trình cân bằng tĩnh học của kết cấu để xác định trạng thái cho bước tiếp theo:

Với F là véc tơ tải trọng và V là véc tơ chuyển vị nút

2.3.2 Phân tích lan truyền vết nứt do mỏi tại điểm nóng nút kết cấu công trình biển cố

định bằng thép

Quan hệ giữa tỷ lệ phát triển vết nứt trên số chu trình tải trọng sóng và số gia Hệ

số cường độ ứng suất được viết theo luật của Paris như sau:

a C ( K ( a )) m th

Với ath là vết nứt tương ứng với K = Kth, ac là vết nứt bắt đầu giai đoạn lantruyền nhanh và dẫn tới phá hủy (m); Nw là số chu trình tải trọng sóng; C là giá trịda/dN khi K = 1 MPa.√m (đơn vị m/chu trình) và m là là độ dốc (từ 2 đến 10) phụthuộc vật liệu và loại mối hàn; K (a) Kmax Kmin là số gia hệ số cường độ ứng suất,phụ thuộc vết nứt a Hệ số cường độ ứng suất được biểu diễn tổng quát như sau:

K  Y ( a , t d ). p a (2.16)

 đại diện cho phân bố ứng suất bề mặt ngoài của vật i dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọci n cho phân tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcn b ng u tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc b m tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc ngoài c a v tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc ện cho phân bố ứng suất bề mặt ngoài của vật ố ứng suất bề mặt ngoài của vật ứng suất bề mặt ngoài của vật ất bề mặt ngoài của vật ề mặt ngoài của vật ặt ngoài của vật ủa vật ật

tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọch , Y(a, td) là hàm phụ thuộc thông số hình học và tải(a, tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcdạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc) lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcà hàm ph tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọchu c tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọchông thứcng  hình học và tảinh h c và tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc i ể, Y(a, td) là hàm phụ thuộc thông số hình học và tải ụ thuộc thông số hình học và tải ộc thông số hình học và tải ố ứng suất bề mặt ngoài của vật ọc và tải ải

tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcrục ( ng ngoài ọc và tải Đố ứng suất bề mặt ngoài của vật ới kết cấu nút ống, một số công thức giải tích đã ết cấu nút ống, một số công thức giải tích đã i v i kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc c u ntích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc ng, m tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc  công thứcng tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọch c gi i tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcch ã ất bề mặt ngoài của vật ố ứng suất bề mặt ngoài của vật ộc thông số hình học và tải ố ứng suất bề mặt ngoài của vật ứng suất bề mặt ngoài của vật ải đ

c tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọchành lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc p Tho alớn, quan hệ giữa biến dạng dọcan, hàm hình học và tảinh h c Y(a, td) là hàm phụ thuộc thông số hình học và tải(a, tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcdạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc) v i v tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc n tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc

chân tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcn m i hàn ntích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc ng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcan tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcrục (uyển vị tuân theo công thức n tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcho chi u ân tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcu tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc ng quác thành phần chuyển vị tuân theo công thứctích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc có ố ứng suất bề mặt ngoài của vật ố ứng suất bề mặt ngoài của vật ề mặt ngoài của vật ề mặt ngoài của vật ổng quát có

tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọch xác thành phần chuyển vị tuân theo công thứcc nh tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọcho công thứcng tích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọch c: ể, Y(a, td) là hàm phụ thuộc thông số hình học và tải định theo công thức: ứng suất bề mặt ngoài của vật

2.3.3 Mô hình hóa ảnh hưởng của vết nứt do mỏi để phân tích kết cấu

Theo NORSOK N-004, ảnh hưởng của vết nứt dạng hình bán elip với trục ngắn

là 2a, trục dài là 2c được quy đổi tương đương với một độ bẹp Dd :

Hình 2.2 Minh họa phân bố ứng suất chảy trên tiết diện ống bị bẹp

Giả sử tại một vị trí phần tử ống có vết nứt, vết nứt sẽ được quy đổi tương đươngvới độ bẹp Dd (Hình 2.2), phương trình mặt chảy toàn phần tại tiết diện đó được biểu diễn theo phương trình:

Các công thức để tính f1, f2 được trình bày chi tiết trong luận án

2.4 Phân tích cơ chế phá hủy của kết cấu công trình biển cố định bằng thép khi chịu tải trọng môi trường vượt mức thiết kế

Tác giả thực hiện thu thập số liệu và phân tích cơ chế phá hủy của một số giànđiển hình đang khai thác trong khu vực biển Việt Nam với các dạng kết cấu khác nhaubao gồm giàn Thái Bình ở độ sâu 29,2m nước, giàn Topaz-A ở độ sâu 41,1m, giànRuby B ở độ sâu 50m, giàn JVPC-C1 ở độ sâu 52,5m, giàn Thăng Long ở độ sâu68,1m, giàn Đại Hùng ở độ sâu 111,42m Kết quả phân tích cho thấy:

- Các kết cấu chỉ bị phá hủy khi một hay nhiều phần tử kết cấu chính bị chảy dẻo toàn phần

- Không có trường hợp nào bị phá hủy do đất nền không đủ sức chịu tải

- Chiều cao sóng gây đổ giàn thường lớn hơn ít nhất là 1,3 lần chiều cao sóng thiết

kế Tuy nhiên kết cấu đã không còn khả năng khai thác hoặc có thể được giacường, sửa chữa để khai thác với điều kiện môi trường vượt mức nhỏ hơn

Với mục tiêu đánh giá kết cấu để tiếp tục khai thác, luận án giới hạn khả năng

chịu tải vượt mức thiết kế của kết cấu theo một trong các điều kiện sau: (1) Một tiếtdiện của phần tử kết cấu chính đầu tiên chảy dẻo toàn phần; (2) Vết nứt do mỏi giớihạn bằng chiều dày ống Trên thực tế, khi một trong hai điều kiện này xảy ra thì kếtcấu vẫn chưa bị phá hủy và có thể vẫn còn khả năng khai thác thêm

2.5 Kết luận của Chương 2

Chương 2 đã tổng kết các cơ sở lý thuyết để phân tích kết cấu khi chịu tải vượtmức thiết kế để phục vụ xây dựng phương pháp đánh giá kết cấu Dựa vào đó phântích cơ chế phá hủy của một số dạng kết cấu công trình biển cố định bằng thép đangđược sử dụng ở một số mỏ ngoài khơi biển Việt Nam, khi chịu tác động của các con

sóng vượt mức thiết kế bằng phần mềm chuyên dụng Từ các kết quả phân tích thu được, đã rút ra các nhận xét và đề xuất giới hạn phạm vi về khả năng chịu tải vượt mức thiết kế của kết cấu khi xây dựng phương pháp đánh giá trong chương 3.

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP LUẬN ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI VƯỢT MỨC THIẾT KẾ CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP KHI GIA HẠN KHAI THÁC

3.1 Mở đầu

Dựa trên kết quả phân tích kết cấu theo cơ sở lý thuyết đã trình bày trong chương

2, chương 3 của luận án xây dựng phương pháp luận đánh giá khả năng chịu tải vượtmức thiết kế của kết cấu công trình biển cố định bằng thép khi gia hạn khai thác.Chương 3 cũng chính là nội dung trọng tâm, thể hiện các kết quả nghiên cứu của tácgiả trong luận án

3.2 Nguyên tắc đánh giá kết cấu công trình biển cố định bằng thép khi chịu tải vượt mức thiết kế

3.2.1 Phân tích các yếu tố ngẫu nhiên đề cập đến trong luận án

- Tải trọng sóng tác dụng lên kết cấu được xác định theo công thức Morison, với profile sóng được coi là quá trình ngẫu nhiên dừng, ergodic, trung bình không

- Mô đun đàn hồi và giới hạn chảy của vật liệu được coi là các đại lượng ngẫu nhiên có phân phối chuẩn theo catalogue của nhà sản xuất

- Đường kính và chiều dày các phần tử ống trong giai đoạn chế tạo được coi làđại lượng ngẫu nhiên phân phối chuẩn Trong trường hợp có số liệu khảo sát cụ thể, cóthể kể thêm ảnh hưởng của ăn mòn như một đại lượng ngẫu nhiên để áp dụng đánh giákết cấu giàn trong giai đoạn gia hạn khai thác

Để giảm độ phức tạp, luận án chỉ xét yếu tố ngẫu nhiên giới hạn chảy, mô đunđàn hồi, sai số chế tạo đối với các ống chính và cọc

3.2.2 Nguyên tắc đánh giá

Luận án quy ước 7 nguyên tắc đánh giá khả năng chịu tải vượt mức thiết kế củakết cấu công trình biển cố định bằng thép để làm căn cứ gia hạn khai thác, trong đóthời gian kéo dài khai thác được xem xét tương ứng với hai trường hợp như sau:

+ Kết cấu chưa phá hủy do mỏi nhưng chỉ còn khả năng chịu được con sóng chu

kỳ lặp T năm với một xác suất rủi ro cho phép, tương ứng thời gian kéo dài t b

+ Một tiết diện phần tử kết cấu chính đầu tiên xuất hiện vết nứt do mỏi với độ sâu

bằng chiều dày ống, tương ứng với giới hạn kéo dài khai thác t m

Thời gian khai thác kéo dài cho phép được giới hạn bởi min(t b , t m)

3.3 Nghiên cứu đánh giá xác suất xuất hiện của các trạng thái biển vượt mức thiết kế trong khu vực biển Việt Nam

3.3.1 Xây dựng quan hệ giữa chiều cao sóng vượt mức thiết kế và xác suất xuất hiện

trong điều kiện biển Việt Nam

Theo các số liệu thu thập được cho thấy giá trị cực đại của chiều cao sóng lớnnhất trong các vùng biển Việt Nam chủ yếu tuân theo luật phân phối xác suất Fisher – Tippett loại 1 được biểu diễn như sau:

ình học và tải  H T  lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc 



max 

(3.1)

F ( H maxT )  P ( H max  HmaxT )  exp ích kết cấu biến dạng lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc  exp ên thanh được biểu  1 

lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc

Trong đó các đặc trưng xác suất lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc1, lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc2, được xác định từ kết quả thống kê số

liệu đo đạc Từ đó xác định chiều cao sóng cực đại với chu kỳ lặp T năm:

HmaxT  lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc1  lớn, quan hệ giữa biến dạng dọc2 ln(  ln(1  1 )) (3.2)

T

3.3.2 Xây dựng đồ thị biểu diễn quan hệ giữa chiều cao sóng và xác suất xuất hiện tại

một số vùng mỏ điển hình trong khu vực biển Việt Nam

c) Mỏ Thăng Long – Đông Đô d) Mỏ Thiên Ưng

Hình 3.1 Quan hệ chiều cao sóng lớn nhất và chu kỳ lặp – Điều kiện Việt Nam

3.4 Phương pháp luận đánh giá khả năng chịu tải vượt mức thiết kế của kết cấu công trình biển cố định bằng thép

3.4.1 Đánh giá độ tin cậy về mỏi theo điều kiện mở rộng vết nứt

- Xác định ứng suất tại các điểm nóng tương ứng với từng trạng thái biển trong năm

thứ i xảy ra trong khoảng thời gian t (3h hoặc 6h);

- Do ứng suất tại điểm nóng này là một quá trình ngẫu nhiên nên việc xác định sốgia ứng suất và số chu trình tương ứng được thực hiện theo phương pháp đếm giọtmưa (Hình 3.2):

Hình 3.2 Đếm chu trình ứng suất theo phương pháp đếm giọt mưa

- Xác định số gia ứng suất  eqji gây ra một vết nứt tương đương:

Trong đó m là hệ số đặc trưng phá hủy phụ thuộc vật liệu (xem chương 2),   j'i là

các số gia ứng suất tương ứng với nhóm sóng hiệu quả thứ j’ có số chu trình N wj’i

(j’=1k’) trong trạng thái biển j gây ra số gia hệ số cường độ ứng suất K lớn hơn

số gia ứng suất vượt ngưỡng (Hình 3.3) tương ứng với thời điểm vết nứt kích

thước a j-1i, tức là:

 j'i  [ ji ]