Phân tích động lực học kết cấu giàn khoan tự nâng chịu tác động của sóng biển có xét dao động của nước dằn

HỒ CHÍ MINH --- NGUYỄN ĐỨC MINH PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU GIÀN KHOAN TỰ NÂNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG BIỀN CÓ XÉT DAO ĐỘNG CỦA NƯỚC DẰN Chuyên ngành :Xây dựng công trình dân dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP HỒ CHÍ MINH

-

NGUYỄN ĐỨC MINH

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU GIÀN KHOAN

TỰ NÂNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG BIỀN CÓ XÉT

DAO ĐỘNG CỦA NƯỚC DẰN

LUẬN VĂN THẠC SỸ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP

Tp.HCM - 8/2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP HỒ CHÍ MINH

-

NGUYỄN ĐỨC MINH

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU GIÀN KHOAN

TỰ NÂNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG BIỀN CÓ XÉT

DAO ĐỘNG CỦA NƯỚC DẰN

Chuyên ngành :Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số ngành : 60 58 02 08

LUẬN VĂN THẠC SỸ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Trọng Phước

Tp.HCM - 8/2018

i

LỜI CẢM ƠN

Luận văn Thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp nằm trong hệ thống bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biết cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng Đó là trách nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học

Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nổ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiều từ tập thể và các cá nhân Tôi xin ghi nhận và tỏ lòng biết ơn tới tập thể và các cá nhân đã dành cho tôi sự giúp đỡ quý báu đó

Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Nguyễn Trọng Phước Thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài, góp ý cho tôi rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Xây dựng và Điện, trường Đại học Mở Tp.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi, đó cũng là những kiến thức không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp của tôi sau này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Th.S Nguyễn Lê Hoài Sơn- phòng Thiết kế Công ty Cổ phần Chế tạo Giàn khoan Dầu khí (PVMS) , KS Đỗ văn Trình -Viện khoa học tính toán Đại học Tôn Đức Thắng , đã giúp đở tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn này

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nổ lực của bản thân, tuy nhiên do kiến thức giới hạn nên không thể tránh những thiếu sót Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẩn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn

Xin trân trọng cảm ơn

Tp.HCM, ngày 30 tháng 8 năm 2018

Nguyễn Đức Minh

Luận văn phân tích động lực học của dạng kết cấu giàn khoan tự nâng chịu tác động của tải trọng sóng biển có xét đến ảnh hưởng của nước dằn trong thân giàn Giàn khoan được mô tả bởi phương pháp phần tử hữu hạn và nước trong thân giàn được xem xét có tương tác với kết cấu giàn Phần mềm ANSYS có xét đến tương tác chất lỏng được sử dụng để mô phỏng kết cấu này Kết quả số về phân tích dao động tự nhiên đựợc thực hiện có so sánh với các công bố khác làm tăng thêm độ tin cậy cho kết quả của lời giải Từ kết quả bài toán dao động tự nhiên và chuyển vị của kết cấu giàn khoan phản ứng với tải trọng sóng biển (được mô tả như tải trọng có chu kỳ) , cho thấy các đặc trưng động lực học này phụ thuộc nhiều vào mực nước dằn trong thân giàn Từ đó đưa ra các nhận xét về tính hiệu quả của việc sử dụng nước dằn dùng để giảm chấn trong thiết kế và vận hành giàn khoan tự nâng

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng luận văn “ Phân tích động lực học kết cấu giàn khoan tự nâng chịu tác động của sóng biển có xét đến dao động của nước dằn” là bài nghiên cứu của chính tôi

Ngoại trừ những tài liệu tham khảo được trích dẫn trong luận văn này, tôi cam đoan rằng toàn phần hay những phần nhỏ của luận văn này chưa từng được công bố hoặc được sử dụng để nhận bằng cấp ở những nơi khác

Không có sản phẩm, nghiên cứu nào của người khác được sử dụng trong luận văn này mà không được trích dẫn theo đúng quy định

Luận văn này chưa bao giờ được nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các trường đại học hoặc cơ sở đào tạo khác

Tp.HCM, ngày 30 tháng 8 năm 2018

Nguyễn Đức Minh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC KÝ HIỆU vii

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ CÁC ĐỒ THỊ viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề: 1

1.2 Mục tiêu luận văn: 3

1.3 Phương pháp nghiên cứu: 3

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 4

1.5 Ý nghĩa của đề tài: 4

1.6 Cấu trúc luận văn: 4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ GIÀN KHOAN VÀ GIẢM CHẤN 6

2.1 Giới thiệu: 6

2.2 Sơ lược kết cấu công trình ngoài khơi: 6

2.3 Cấu tạo giàn khoan tự nâng và nguyên lý hoạt động: 8

2.3.1 Cấu tạo giàn khoan tự nâng: 8

2.3.2 Nguyên lý hoạt động: 9

2.4 Giới thiệu giàn khoan tam đảo 05: 11

2.5 Hệ giảm chấn chất lỏng: 14

2.5.1 Hệ giảm chấn bằng cột chất lỏng: 14

2.5.2 Hệ giảm chấn bằng sóng chất lỏng (TSD): 15

2.6 Ứng dụng của hệ giảm chấn chất lỏng trong thực tế: 16

2.7 Các nghiên cứu về hệ giảm chấn chất lỏng: 21

2.8 Kết luận chương: 26

v

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 27

3.1 Giới thiệu: 27

3.2 Dao động của chất lỏng: 27

3.2.1 Lý thuyết sóng nông tuyến tính: 28

3.2.2 Tần số dao động riêng của chất lỏng: 31

3.2.3 Phân loại sóng chất lỏng: 33

3.3 Bài toán động lục học kết cấu giàn khoan: 34

3.3.1 Tính toán phân tích tỉnh kết cấu: 34

3.3.2 Phân tích động lực học: 35

3.3.3 Phân tích động lực học kết cấu giàn khoan có xét nước dằn: 36

3.4 Mô hình giàn khoan trong ansys: 36

3.5 Nước dằn trong giàn khoan: 38

3.6 Tải trọng tác dụng lên giàn khoan: 39

3.6.1 Tải trọng gió: 39

3.6.2 Tải trọng sóng biển: 40

3.7 Phần mềm ansys: 42

3.8 Kết luận chương: 44

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ SỐ 45

4.1 Giới thiệu: 45

4.2 Dao động của bể nước: 45

4.3 Kiểm chứng mô hình kết cấu dàn khoan: 48

4.4 Ảnh hưởng của nước dằn đến tần số của giàn khoan: 56

4.5 Ảnh hưởng của nước dằn đến chuyển vị động của giàn: 63

4.6 Nhận xét: 69

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 72

5.1 Kết luận: 72

5.2 Hướng phát triển: 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TLD Tuned Liquid Damper – Hệ giảm chấn chất lỏng

TMD Tuned Mass Damper – Hệ giảm chấn khối lượng

TLCD Tuned Liquid Column Damper – Hệ giảm chấn cột chất lỏng

TSD Tuned Sloshing Damper – Hệ giảm chấn bằng sóng chất lỏng

DTLCD Double Tuned Liquid Column Dampers – Hệ giảm chấn cộtchất lỏng

theo hai phương

FEM Finite Element Method - Phương pháp phần tử hữu hạn PTHH Phương

pháp phần tử hữu hạn

ABS American Bureau of Shipping Cục đăng kiểm hàng hải Hoa Kỳ

SNAME The Society of Naval Architects and Marine Engineers Technical and

Research Program - Hiệp hội kỹ sư hàng hải Quốc tế

FSI Fluid Structure Interaction - Tương tác lưu chất và kết cấu

DAF Dynamic Amplification Factor - Hệ số động lực học

T Chu kỳ dao động của sóng chất lỏng

2a Chiều dài bể chứa

C Hệ số cản trong công thức Morison

u Vận tốc phần tử chất lỏng trong công thức Morison

x

a Gia tốc phần tử chất lỏng trong công thức Morison

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ CÁC ĐỒ THỊ

Hình 1-1: Số liệu thống kê sóng biển tại vùng mỏ Việt Nam 1

Hình 2-1: Một số dạng kết cấu công trình ngoài khơi 6

Hình 2-2: Chiều sâu làm việc tối đa của một số loại giàn khoan 7

Hình 2-3: Giàn khoan tự nâng 8

Hình 2-4: Chân giàn và hệ thống nâng hạ 9

Hình 2-5: Di chuyển giàn tự nâng bằng tàu kéo 9

Hình 2-6: Vận chuyển bằng sà lan 10

Hình 2-7: Quy trình làm việc của giàn khoan tự nâng 11

Hình 2-8: Hình ảnh giàn khoan tam đảo 05 12

Hình 2-9: Hình chiếu đứng giàn khoan Tam Đảo 05 13

Hình 2-10: Hình chiếu bằng giàn khoan Tam Đảo 05 13

Hình 2-11: Mô hình hệ giảm chấn bằng cột chất lỏng (TLCD) 15

Hình 2-12: Hệ giảm chấn bằng sóng chất lỏng 16

Hình 2-13: Hệ kháng chấn bằng chất lỏng dùng cho tàu bè 16

Hình 2-14: Tòa nhà One Wall Center 17

Hình 2-15: Hệ giảm chấn bằng chất lỏng MCC Aqua Damper 18

Hình 2-16: Hệ giảm chấn TLD ở Shin Yokohama Tower 19

Hình 2-17: Tháp Yokohama Marine và khách sạn Yokohama Prince 19

Hình 2.18: Tòa nhà One Ricon Hill ở Hoa kỳ 20

Hình 2.19: Cầu Bải Cháy Quảng Ninh 20

Hình 3-1: Cơ chế hoạt động của thiết bị TLD và TMD 28

Hình 3-2: Các thông số sử dụng trong lý thuyết sóng 29

Hình 3-3: Sóng trong bể chử nhật chịu chuyển vị ngang 31

Hình 3-4: Phụ thuộc của tần số vào kích thước bể và tỷ số chiều sâu mực nước 33

Hình 3-5: Mô hình tổng thể kết cấu giàn khoan Tam Đảo 05 37

Hình 3-6: Phân khoang bên trong thân giàn khoan Tam Đảo 05 38

Hình 4-1: Bể chứa chất lỏng chịu chuyển vị kích thích điều hoà 46

Hình 4-2: Mô hình bể chứa chất lỏng 47

ix

Hình 4-3: So sánh tần số tự nhiên của bể rộng 4m 48

Hình 4-4: Mô hình giàn khoan Tam Đảo 05 bằng phần mềm SACS 49

Hình 4-5: Mô hình giàn khoan Tam Đảo 05 - ANSYS 50

Hình 4-6: Mode 1 dao động riêng giàn khoan Tam Đảo 05 - SACS 52

Hình 4-7: Mode 2 dao động riêng giàn khoan Tam Đảo 05 - SACS 53

Hình 4-8: Mode 1 dao động riêng giàn khoan Tam Đảo 05 – ANSYS 54

Hình 4-9: Mode 2 dao động riêng giàn khoan Tam Đảo 05 - ANSYS 55

Hình 4-10: Vị trí khoang chứa nước xem xét 59

Hình 4-11: Khai báo chất lỏng là Acoustic Body 60

Hình 4-12: Khai báo mặt thoáng nước 61

Hình 4-13: Điều kiện biên tương tác giữa chất lỏng và kết cấu 61

Hình 4-14: So sánh chu kỳ dao động mode 1 giàn khoan Tam Đảo 05 63

Hình 4-15: Khai báo điều kiện biên và tải trọng 64

Hình 4-16: So sánh chuyển vị ngang lớn nhất giàn khoan Tam Đảo 05 ở các mức nước dằn trong điều kiện vận hành (mm) 68

Hình 4-17: So sánh chuyển vị ngang lớn nhất giàn khoan Tam Đảo 05 ở các mức nước dằn trong điều kiện bão cực hạn (mm) 68

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1: Thông số kích thước giàn khoan tự nâng Tam Đảo 05 12

Bảng 3-1: Bảng phân loại sóng chất lỏng 34

Bảng 3-2: Tải trọng gió tác động lên giàn khoan tự nâng Tam Đảo 05 40

Bảng 3-3: Số liệu sóng thiết kế cho giàn Tam Đảo 05 40

Bảng 4-1: So sánh tần số tự nhiên theo giải tích và theo FEM cho bể 47

Bảng 4-2: So sánh chu kỳ dao động riêng của giàn khoan Tam Đảo 05 (s) 51

Bảng 4-3: Bảng chu kỳ dao động riêng của giàn khoan ờ các mức nước 61

Bảng 4-4: Chuyển vị ngang lớn nhất ứng với các trường hợp điểu kiện vận hành và điều kiện bảo cực hạn (mm) 65

Bảng 4-5: Chuyển vị ngang lớn nhất của giàn khoan ở mực nước dằn 1m trong điều kiện vận hành (mm) 66

Bảng 4-6: Chuyển vị ngang lớn nhất của giàn khoan ở mực nước dằn 1m trong điều kiện bão cực hạn (mm) 67

ưu điểm tiện lợi, đã được nghiên cứu và sử dụng rất nhiều cho các công trình ở nhiều nơi trên thế giới

Các công trình xây dựng ngoài khơi nói chung, các kết cấu giàn khoan tự nâng nói riêng, là các công trình biển hoạt động trong môi trường đại dương khắc nghiệt, thường xuyên chịu tác động của các tải trọng môi trường, đặc biệt là tải trọng sóng biển.Với hệ kết cấu giàn khoan tự nâng, thường có chu kỳ dao động riêng nằm trong khoảng từ 5s -15s [1] Vì chu kỳ nằm trong khoảng chu kỳ của sóng biển (như

số liệu được thống kê ở ở bảng sau [2]), nên kết cấu công trình giàn khoan tự nâng rất nhạy cảm với tải trọng sóng biển Việc nghiên cứu tìm ra các giải pháp kháng chấn hiệu quả cho kết cấu các công trình ngoài khơi nói chung, kết cấu giàn khoan

tự nâng nói riêng vẫn là mối quan tâm rất lớn trong công tác thiết kế các trong trình ngoài biển, nhất là ở Việt nam trong bối cảnh hiện nay

Hình 1-1:Số liệu thống kê sóng biển tại vùng mỏ Việt Nam

Một trong cách tiếp cận phổ biến nhất hiện nay là đánh giá thành phần động của tải trọng sóng thông qua hệ số động lực học (Dynamics Amplification Factor - DAF) Để tính toán hệ số động lực học DAF này, phương pháp đơn giản nhất là xem xét hệ kết cấu giàn khoan như hệ một bậc tự do (Single Degree of Freedom -SDOF), và được tính toán bằng công thức :

1

Theo đó, để có DAF cần phải tiến hành phân tích dao động riêng của kết cấu

giàn khoan tự nâng Việc phân tích dao động riêng của giàn khoan tự nâng hiện nay được thực hiện khá dể dàng với sự trợ giúp của các phần mềm chuyên dụng trong ngành công trình ngoài khơi như: SACS, SESAM… Tuy nhiên, các quá trình tính toán đó đã dựa trên nhiều giả thiết gần đúng Trong đó, phần thân gồm cả phần khối lượng chất lỏng chứa trong các khoang được đưa về thành một khối lượng tập trung tại tâm giàn để tính toán, và quá trình mô phỏng đã xem nước như một khối solid bỏ qua dao động và tương tác của nó trong thành bể

Trong thực tế, lượng nước dằn này đã có những ảnh hưởng không ít đến các đặc trưng động lực học của hệ kết cấu giàn khoan khi chịu tải trọng động Nước trên mặt thoáng của chất lỏng tạo ra sóng hấp thụ và tiêu tán năng lượng kích động vào

hệ, làm thay đổi đặc trưng động lực học của hệ, hạn chế được hiệu ứng động khi chịu tác động của tải trọng động.Vậy xét về mặt động lực học, mặt nào đó dao động nước dằn trong khoan giàn cũng có những ảnh hưởng tích cực đến hệ kết cấu giàn khoan trước tải trong động mà không thể bỏ qua, và khi đó hiệu quả giảm chấn của

nó mang lại cho công trình là không nhỏ

Từ những nhận định trên, luận văn chọn đề tài: “Phân tích động lực học giàn

khoan tự nâng chịu tác động của sóng biển có xét đến dao động của nước dằn”,

nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của sự dao động chất lỏng bên trong thân giàn đến các đặc tính động lực học của giàn khoan tự nâng Qua đó, đánh giá khả năng phát triển,

3

áp dụng giải pháp kháng chấn bằng chất lỏng trong thiết kế và vận hành giàn khoan

tự nâng

1.2 Mục tiêu luận văn

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là khảo sát ảnh hưởng của dao động chất lỏng bên trong thân giàn đến ứng xử động lực học của hệ kết cấu giàn khoan tự nâng chịu tải trọng động của sóng biển Kết cấu giàn khoan được mô phỏng bởi phương pháp phần tử hữu hạn và nước trong thân giàn được xem xét có tương tác với kết cấu giàn Phần mềm ANSYS có xét tương tác chất lỏng được dùng để mô hình kết cấu này Tải trọng sóng biển được mô tả dưới dạng tải trọng động trong điều kiện vận hành bình thường và khi xảy ra bảo cực hạn

Kết quả số về phân tích dao động tự nhiên được so sánh với công bố khác để cho thấy độ tin cậy của lời giải Từ kết quả bài toán dao động tự nhiên, phản ứng của hệ kết cấu giàn khoan với tải trọng động sóng biển, (được mô tả như tải trọng

có chu kỳ) phụ thuộc vào mực nước dằn trong khoang giàn Từ đó, chúng ta có thể đưa ra các nhận xét về hiệu quả của của việc sử dụng nước dằn để giảm chấn trong thiết kế và vận hành giàn khoan tự nâng

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn được thực hiện theo hướng nghiên cứu mô phỏng lý thuyết Để thực hiện được nội dung nghiên cứu đã nêu, mô hình thực tế giàn khoan tự nâng Tam Đảo 05 được chọn để áp dụng mô phỏng và phân tích Đây là giàn khoan tự nâng thứ hai do Việt Nam thiết kế chi tiết và chế tạo, vừa được hoàn thành và bàn giao cho Liên doanh Việt- Nga Vietsovpetro cuối năm 2016 Kết cấu thân, chân giàn và nước trong khoan giàn được mô phỏng thông qua sự trợ giúp của phần mềm ANSYS WORKBENCH Sự tương tác của chất lỏng và kết cấu được phân tích đồng thời thông qua bộ công cụ mở rộng ACCOUSTIC (ACT)

Ngoài ra, để kiểm chứng kết quả phân tích, luận văn cũng so sánh kết quả phân tích trong tình huống đơn giản với các lời giải khác để chứng tỏ độ tin cậy của

số liệu thu được thông qua công bố khác

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là các ứng xử động của giàn khoan tự nâng Tam Đảo 05

ở các mức nước khác nhau chịu tổ hợp tải trọng gió và sóng biển có xét đến ảnh hưởng của nước dằn bằng phương pháp phần tử hửu hạn.Trong điều kiện giới hạn luận văn chỉ giải bài toán động lực học tiền định cho kết cấu giàn khoan với tải trọng biển là sóng tiền định

1.5 Ý nghĩa của đề tài

Có thể thấy hiện nay, việc nghiên cứu ứng dụng hệ kháng chấn chất lỏng đang được tập trung nghiên cứu, với nhiều hướng nghiên cứu phong phú Tuy nhiên, các nghiên cứu chủ yếu tập trung trong lĩnh vực kháng chấn cho công trình xây dựng, đặc biệt là nhà cao tầng

Các nghiên cứu ứng dụng cho dạng kết cấu công trình ngoài khơi còn rất khiêm tốn và chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều Trên cơ sở đó, đề tài Phân tích động lực học giàn khoan tự nâng có xét đến dao động nước dằn như hệ cản chất lỏng, phân tích khả năng tận dụng chất lỏng sẳn có bên trong thân giàn nhằm hạn chế ảnh hưởng của tải trọng môi trường, đặc biệt là tải trọng sóng biển lên kết cấu công trình giàn khoan

Có thể thấy rằng đề tài có ý nghĩa về học thuật là phân tích bài toán động lực học mà có xét đến nước làm giảm chấn do tương tác nước và kết cấu Ngoài ra cũng còn có ý nghĩa thực tiển trong điều kiện hiện nay để hiểu rõ hơn các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của kết cấu giàn khoan tự nâng

1.6 Cấu trúc luận văn

Luận văn được chia ra làm 5 chương trình bày lần lượt các vấn đề như sau:

5

Chương 1: Mở đầu gồm có đặt vấn đề, Mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm

vi nghiên cứu, phương pháp thực hiện và ý nghĩa thực tiển của đề tài

Chương 2: Tổng quan về đề tài: giới thiệu sơ lược kết cấu giàn khoan tự nâng,

trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động và vận hành của nó Giới thiệu sơ lược kết cấu giàn khoan tự nâng Tam đảo 05, là giàn khoan tự nâng thứ hai do Việt Nam thiết kế chi tiết và chế tạo, vừa được hoàn thành và bàn giao cho Liên doanh Việt- Nga Vietsovpetro cuối năm 2016 Chương này cũng giới thiệu tổng quan về hệ giảm chấn chất lỏng Trình bảy nguyên lý hoạt động, tình hình nghiên cứu và ứng dụng của hệ giảm chấn chất lỏng cho các công trình trên thế giới và ở Việt nam

Chương 3: Trình bày cơ sở lý thuyết của hệ giảm chấn chất lỏng, cơ sở lý

thuyết động lực công trình cho bài toán động lực học giàn khoan chịu tải trọng động

có xét đến dao động của nước dằn, giới thiệu mô hình giàn khoan Tam đảo 05, nước dằn trong khoan, các tải trọng tác động lên khoan, dựa trên số liệu đã thiết kế thực

tế và phần mềm dùng để mô phỏng ANSYS để thực hiện tính toán số cho chương 4

Chương 4: Trình bày ví dụ phân tích số của bể nước đơn giản được mô phỏng

bằng ANSYS So sánh kết quả với tính toán giải tích Kiểm chứng kết quả từ phần mềm Ansys bằng cách so sánh kết quả phân tích chu kỳ dao động riêng của kết cấu giàn khoan Tam đảo 05 với kết quả đã tính toán bằng phần mềm SACS Chương này cũng khảo sát sự ảnh hưởng của chất lỏng bên trong thân giàn đối với chu kỳ dao động riêng và chuyển vị ngang lớn nhất của giàn khoan tự nâng khi chịu tác động của tải trọng sóng biển

Chương 5: Nêu kết luận và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ GIÀN KHOAN VÀ GIẢM CHẤN

2.1 Giới thiệu

Chương này trình bày phần tổng quan về kết cấu giàn khoan và giảm chấn cho kết cấu bằng bể chứa chất lỏng Đầu tiên, sơ lược về kết cấu công trình ngoài khơi được đề cập Mô tả sơ lược về kết cấu giàn khoan Tam Đảo 05 được dùng trong đề tài này, để thực hiện tính toán số cũng được giới thiệu chương này Tiếp theo, một

số giải pháp giảm chấn cho kết cấu dùng bể nước liên quan đến đề tài cũng được đề cập Cuối cùng, tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan đến giảm chấn bằng bể nước gắn trong kết cấu chịu tải trọng động cũng được trình bày sơ lược thông qua các tài liệu tham khảo của luận văn này

2.2 Sơ lược kết cấu công trình ngoài khơi

Nhu cầu bức thiết đối với việc khai thác dầu khí ngày càng tăng trên thế giới,đã tạo nên động lực mạnh mẻ không ngừng thúc đẩy cải tiến kỷ thuật và công nghệ để thiết kế xây dựng các loại công trình ngoài biển,sao cho đảm bảo khai thác

an toàn trong điều kiện tự nhiên khắc nghiệt, mặt khác phải đảm bảo giá thành dầu khí cạnh tranh Hiện nay trên thế giới có rất nhiều công trình ngoài khơi phục vụ cho ngành thăm dò và khai thác dầu khí Mỗi dạng công trình tuỳ thuộc vào đặc tính

của kết cấu mà có những ưu khuyết điểm và phạm vi hoạt động khác nhau (Hình

2-1, Hình 2-2):

Hình 2-1:Một số dạng kết cấu công trình ngoài khơi

7

1 Giàn khoan cố định (Jacket)

2 Giàn khoan cố định (Jackup)

3 Giàn khoan bán chìm (semi-submersible)

4 Tàu khoan (Drill ship)

5 Giàn khoan chân nạng neo đứng (Tenson Leg PlatForm)

Hình 2-2: Chiều sâu làm việc tối đa của một số loại giàn khoan

a Giàn khoan trên đất liền (Land Rig)

b Giàn khoan biển bao gồm:

b1 Giàn khoan có bệ đỡ cố định (Submersible Rig);

b2 Giàn khoan tự nâng (Jack-up Rig);

b3 Giàn khoan nửa nổi nửa chìm (Semisubmersible Rig);

b4 Tàu khoan (Drilling Ship)

Ở Việt Nam những năm gần đây, cùng với đà phát triển của ngành công nghiệp dầu khí, việc nghiên cứu thiết kế và xây dựng các công trình ngoài khơi phục vụ cho công tác thăm dò, khai thác dầu khí rất được chú trọng Cho đến nay, với đặc thù vùng khai thác nằm trên thềm lục địa, với độ sâu nước không lớn nên hai dạng giàn khoan chính được sử dụng nhiều là giàn khoan cố định (Jacket) dùng

cho hoạt động khai thác và giàn khoan tự nâng (Jackup) dùng cho hoạt động thăm

dò, tiếp trợ khoan

2.3 Cấu tạo giàn khoan tự nâng và nguyên lý hoạt động:

2.3.1 Cấu tạo giàn khoan tự nâng

Giàn khoan tự nâng là dạng kết cấu công trình ngoài khơi bao gồm: kết cấu thân, chân và hệ thống nâng hạ Giàn khoan tự nâng có thể tự nâng hạ phần thân đến

vị trí làm việc dưới sự trợ giúp của phần chân, ổn định dưới tác động của tải trọng môi trường cũng như các tải trọng vận hành khác Giàn khoan tự nâng được sử dụng vào các mục đích khoan thăm dò, khoan khai thác, sửa chửa miệng giếng ở vùng

mỏ có độ sâu nước lên đến 150m

Hình 2-3:Giàn khoan tự nâng

Phần chân giàn khoan tự nâng thường được cấu tạo từ các thanh thép ống tạo thành dạng khung giàn tam giác hoặc khung giàn hình vuông Các ống chính của chân giàn khoan tự nâng được chế tạo có các bánh răng dọc theo chiều dài chân

Hình 2-5: Di chuyển giàn tự nâng bằng tàu kéo

Hình 2-6: Vận chuyển bằng sà lan

Sau khi được di chuyển đến vị trí làm việc, thông qua hệ thống nâng hạ, chân giàn khoan tự nâng sẽ được hạ dần xuống đến khi cắm dần vào đáy biển Lúc này phần thân bắt đầu được nhấc lên khỏi mặt nước Để đảm bảo khả năng chịu lực của đất nền trong suốt quá trình hoạt động của giàn sau đó, nước dằn sẽ được đưa vào các khoang bên trong thân giàn nhằm tăng trọng lượng giàn cũng như lực ép của chân giàn vào đất nền, đây là quá trình gia tải chân giàn Sau khi hoàn tất quá trình gia tải chân giàn, hệ thống nâng hạ sẽ hoạt động, nâng phần thân giàn đến đúng cao

độ làm việc, sẵn sàng cho các hoạt động của giàn khoan tự nâng

11

Hình 2-7: Quy trình làm việc của giàn khoan tự nâng

2.4 Giới thiệu giàn khoan tam đảo 05

Giàn khoan Tam đảo 05, là giàn khoan tự nâng thứ hai do Việt Nam thiết kế chi tiết và chế tạo, vừa được hoàn thành và bàn giao cho Liên doanh Việt- Nga Vietsovpetro cuối năm 2016 Giàn được thiết kế di động (với sự hổ trợ của tàu kéo)

có thể khoan thăm dò, sửa chửa giếng của các mỏ dầu khí ở vùng biển có độ sâu lên tới 120m, có khả năng khoan tới các mỏ dầu khí sâu đến 9000m, khả năng chất tải lên tới 2995 tấn, chịu được sức gió bão lên tới cấp 12, chiều cao sóng lên tới 22m, tốc độ dòng chảy 1m/s

Bảng 2-1:Thông số kích thước giàn khoan tự nâng Tam Đảo 05

Hình 2-8:Hình ảnh giàn khoan tam đảo 05

13

Hình 2-9:Hình chiếu đứng giàn khoan Tam Đảo 05

Hình 2-10:Hình chiếu bằng giàn khoan Tam Đảo 05

2.5 Hệ giảm chấn chất lỏng

Vấn đề thiết kế kháng chấn cho công trình đã được quan tâm rất nhiều ở các nước trên thế giới trong nhiều thập niên qua Ở Việt nam, vấn đề này ngày cũng được các kỹ sư cũng như các nhà nghiên cứu quan tâm và chú trọng nhiều hơn trong những năm gần đây Các thiết bị kháng chấn, hiện có rất nhiều loại như thiết bị cách chấn đáy, thiết bị kháng chấn chủ động, thiết bị kháng chấn bị động, thiết bị kháng chấn bán tự động… Thiết bị kháng chấn bằng chất lỏng (Tuned Liquid Dampers -TLD) là một trong những thiết bị kháng chấn dạng bị động, tức là không cần sử dụng thêm năng lượng hay vật điều khiển gì trong quá trình hoạt động

Hệ giảm chấn sử dụng bằng chất lỏng được định nghĩa như khả năng của kết cấu làm tiêu tan một phần năng lượng giải phóng, từ đó làm giảm dao động cho kết cấu khi chịu tải trọng động Hệ giảm chấn chất lỏng dựa vào sự phát triển chuyển động sóng tại bề mặt tự do của chất lỏng giải phóng một phần năng lượng động học Đặc trưng của hệ giảm chấn chất lỏng TLD bao gồm các đặc tính phi tuyến và tính cản Chúng chịu ảnh hưởng bởi các đặc trưng: vật liệu chất lỏng, kích thước của thùng chứa, chiều sâu và tính nhớt của chất lỏng Các lực xuất hiện trong hệ TLD khi nước chuyển động văng té hợp lại theo nguyên lý cộng tác dụng Do tính chất chuyển động liên tục của sóng nước làm tăng tính cản cho kết cấu dưới tác dụng của tải trọng động

Hệ giảm chấn chất lỏng được chia thành hai dạng chính: hệ giảm chấn bằng cột chất lỏng (Tuned Liquid Column Damper – TLCD) [3] và hệ giảm chấn bằng sóng chất lỏng (Tuned Sloshing Damper – TSD)

2.5.1 Hệ giảm chấn bằng cột chất lỏng

Hệ giảm chấn bằng cột chất lỏng sử dụng chuyển động của chất lỏng bên trong thùng chứa dạng hình ống gồm hai cột chất lỏng thông với nhau nhờ van điều chỉnh

[Hình 2-11] Thiết bị này có một số ưu điểm như: hình dạng thùng chứa có thể điều

chỉnh linh hoạt để phù hợp cho kết cấu đã xây dựng, tính cản của TLCD có thể được kiểm soát nhờ điều chỉnh lổ mở giữa hai cột chất lỏng, tần số của TLCD có

15

thể thay đổi bằng cách điều chỉnh cột chất lỏng bên trong thùng chứa Ngoài ra, có thể kết hợp hai thiết bị TLCD để giảm chuyển động theo hai phương khác nhau (Double Tuned Liquid Column Dampers – DTLCD)

(Kết cấu chính)

Hình 2-11: Mô hình hệ giảm chấn bằng cột chất lỏng (TLCD)

2.5.2 Hệ giảm chấn bằng sóng chất lỏng (TSD)

Hệ giảm chấn bằng sóng chất lỏng (TSD) [Hình 2-12] tiêu tán năng lượng

thông qua ma sát ở tầng biên của chất lỏng, sự chuyển động của sóng bề mặt và thông qua hiện tượng sóng vỡ Sóng vỡ là hiện tượng chất lỏng dao động không ổn định hay sóng không tồn tại ở trạng thái củ.Vận tốc của chất điểm lớn hơn vận tốc truyền sóng, các chất điểm vượt khỏi mặt dao động của sóng Trong trường hợp này các mô hình tuyến tính đơn giản không thể mô tả ứng xử của chất lỏng Theo tác giả Bùi Phạm Đức Tường [3], hệ giảm chấn bằng sóng chất lỏng được phân thành hai loại theo chiều cao mực chất lỏng: loại dùng sóng nước nông, và loại dùng sóng nước sâu Khi tỷ số chiều cao mực chất lỏng trên bề rộng bể theo phương kích thích của ngoại lực nhỏ hơn 0.15 lần thì xem như nước nông và ngược lại (Banerji và cộng sự 2000, Seto 1996) TSD có mực nước nông sẽ tiêu tán năng lượng thông qua

cơ chế chuyển động của sóng ở bề mặt dẫn đến hiện tượng sóng vỡ Đối với TSD có mực nước sâu thì các vách ngăn (Baffle) hoặc màn (Screen) thường được sử dụng

để điều khiển dao động sóng Do vậy sự tiêu tán năng lượng trong TSD có mực

nước sâu lại phụ thuộc vào cơ chế hoạt động của chất lỏng, vị trí của vách ngăn, kích thước và dạng vách ngăn (Sun và cộng sự 1992)

Hình 2-12: Hệ giảm chấn bằng sóng chất lỏng

2.6 Ứng dụng của hệ giảm chấn chất lỏng trong thực tế

Thiết bị kháng chấn sử dụng chất lỏng thường sử dụng nhiều nhất trong hai lĩnh vực hàng hải và xây dựng Thực tế, ý tưởng này đã được biết đến rất sớm từ những năm 1800 trong ngành hàng hải Để giảm dao động cho các phương tiện nổi dưới tác dụng của sóng gió, người ta đã sử dụng cơ cấu hai bồn nước thông nhau, có

tần số dao động gần với tần số dao động cơ bản của phương tiện nổi [Hình 2-13]

Tuy nhiên, phải cho đến những năm 30 của thế kỷ trước mới bắt đầu có những nghiên cứu bằng lý thuyết về tác dụng của hệ giảm chấn bằng chất lỏng

Hình 2-13: Hệ kháng chấn bằng chất lỏng dùng cho tàu bè

17

Hiện nay, hệ giảm chấn bằng chất lỏng được biết đến và sử dụng nhiều hơn trong ngành kết cấu xây dựng Công trình nhà cao tầng đầu tiên trên thế giới ứng dụng TLD cho thiết kế kháng chấn là tòa nhà One Wall Center ở Vancouver, British

Columbia [Hình 2-14] Công trình có 48 tầng với 2 bể chứa nước có thiết kế đặc

biệt, mỗi bể có thể chứa khoảng 50.000 gal (189.250 lít) nước nằm trên tầng áp mái của công trình

Hình 2-14: Tòa nhà One Wall Center

Tại Nhật Bản, một vài công trình sử dụng TLD đã được xây dựng từ rất sớm,

ví dụ điển hình là tòa nhà Gold Tower ở Chiba sử dụng MCCAqua Damper [Hình 2-15] Đó là bể chứa nước dạng khối với các lưới sợi thép được bố trí dọc theo dòng

chảy chất lỏng bên trong bể Lực kháng chấn được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng một số lượng các bể chứa chất lỏng Cụ thể ở tòa nhà Golden Tower người ta dùng

16 bể chứa dạng này ở tầng mái công trình (cao độ 158m) với tổng khối lượng chất lỏng lên đến 10 tấn và bằng 1/100 khối lượng của toàn bộ công trình Sau khi các thiết bị kháng chấn trên được gắn vào công trình thì người ta đo được phản ứng của kết cấu trước tác động của tải trọng động đã giảm đi khoảng 50-60% so với khi không sử dụng thiết bị kháng chấn TLD

Hình 2-15: Hệ giảm chấn bằng chất lỏng MCC Aqua Damper

Trong công trình khách sạn Shin Yokohama Prince ở Nhật Bản, TLD được lắp đặt gồm 9 bể chứa chất lỏng có đường kính 2m chiều cao 22cm, chiều cao tổng cộng là 2m đã giúp cho công trình giảm được 50-70% dao động khi vận tốc gió là 20m/s

Trong công trình khách sạn Shin Yokohama Prince ở Nhật Bảnvà còn giúp giảm hơn nữa nếu tốc độ gió cao hơn.Gia tốc công trình khi không sử dụng TLD là 0.01(m/s2) còn khi có TLD là 0.006(m/s2) Thiết bị TLD dạng này còn được ứng dụng trong các công trình ở sân bay quốc tế Nagasaki, sân bay quốc tế Tokyo, và

tòa nhà Yokohama (Tamura và cộng sự, 1995) [Hình 2-16]

19

Hình 2-16: Hệ giảm chấn TLD ở Shin Yokohama Tower

Hệ giảm chấn TLD ứng dụng cho công trình tháp Yokohama Marine gồm 39

bể chứa dạng hình trụ tròn Tần số chuyển động của chất lỏng trong bể được điều chỉnh gần như sát với tần số dao động tự nhiên thấp nhất của tháp Tổng khối lượng chất lỏng trong các bể là 1.53x103 kg, xấp xỉ 1% khối lượng của kết cấu Kết quả

đo đạt cho thấy khi tốc độ gió là 20 m/s, giá trị bình phương tối thiểu của biên độ

gia tốc giảm đi 1/3 so với khi không lắp đặt TLD [Hình 2-17]

Hình 2-17:Tháp Yokohama Marine và khách sạn Yokohama Prince

Ngoài ra, TLD còn được ứng dụng tại một số công trình trên thế giới như: tòa nhà One Wall Center,tòa nhà One Ricon Hill, [hình 2-8] ở Vancouver, British Columbia

Hình 2.18: Tòa nhà One Ricon Hill ở Hoa kỳ

Tại Việt Nam, hệ giảm chấn chất lỏng lần đầu tiên được ứng dụng tại cầu Bãi Cháy, Quảng Ninh Hệ giảm chấn được lắp đặt gồm 344 thùng chứa chất lỏng có chiều dài 1400mm và chiều rộng thay đổi 300mm, 400mm và 500mm được phân bổ cho hai tháp cầu [4] [hình 2-19]

Hình 2.19: Cầu Bải Cháy Quảng Ninh

21

2.7 Các nghiên cứu về hệ giảm chấn chất lỏng

Đầu những năm 1980, hệ giảm chấn chất lỏng được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Bauer (1984) [5] là một trong số người đầu tiên ứng dụng TLD để giảm chấn cho công trình xây dựng với đề xuất sử dụng các bể chứa hình chữ nhật chứa hai loại chất lỏng không lẫn lộn nhau để giảm ứng xử dao động cho kết cấu

Wakahana và cộng sự (1992) [6], Tamura và cộng sự (1995) [7] chỉ ra sự hiệu quả của TLD khi được lắp đặt vào kết cấu thật như tháp hàng không Nagasaki, tháp Yokohama Marine và khách sạn Shin Yokohama Prince

Shimizu và Hayama (1986) [8] đã đưa ra một mô hình số để giải các phương trình Navier - Stokes và phương trình liên tục dựa vào lý thuyết sóng nước nông

Họ rời rạc hóa các phương trình chính và giải chúng bằng phương pháp số

Sun và cộng sự (1992) [9] đã đề xuất mô hình phi tuyến sử dụng lý thuyết sóng nước nông đê giải quyết phương trình Navier - Stokes và phương trình liên tục Hơn nữa, họ đưa ra hai hệ số thực nghiệm để giải thích cho sự ảnh hưởng của hiện tượng sóng vỡ

Modi và Seto (1997) [10] cũng đề xuất một nghiên cứu số có xét đến ứng xử phi tuyến của TLD, bao gồm ảnh hưởng của sự phân tán sóng cũng như ma sát tầng biên tại thành bể, tương tác giữa các vật nổi tại bề mặt và sóng vỡ Tuy nhiên, khi chiều cao chất lỏng thấp, phân tích số không thật sự chính xác và có sự sai khác lớn giữa kết quả tính toán và thực nghiệm

Sun và cộng sự (1995) [11] đã kiểm chứng mô hình giảm chấn khối lượng tương đương bao gồm các đại lượng khối lượng, độ cứng và tính cản từ các số liệu thực nghiệm của bể hình chữ nhật, hình tròn và hình vành khuyên chịu tác động của kích thích điều hòa

Yu (1997) [12], Yu và cộng sự (1999) [13] đã đề xuất một mô hình giảm chấn khối lượng tương đương với độ cứng và tính cản phi tuyến được tính toán dựa vào

sự tương đồng về năng lượng Mô hình này có thể mô tả được ứng xử của TLD dưới kích thích có biên độ lớn và cả khi sóng vỡ xảy ra

Gardarsson và cộng sự (2001) [14] mở rộng ý tưởng bằng việc nghiên cứu ứng

xử của TLD có đáy dốc 30o Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy khối lượng chất lỏng tham gia vào chuyển động sóng nhiều hơn nên năng lượng tiêu tán trong mô hình này củng lớn hơn

Reed và cộng sự (1998) [15] nghiên cứu ứng xử của TLD chịu kích động có biên độ lớn thông qua thí nghiệm và so sánh kết quả với một mô hình số dựa trên phương trình sóng nước nông phi tuyến Nghiên cứu chỉ ra tần số của TLD tăng khi biên độ kích động tăng và để TLD đạt hiệu quả tốt nhất thì tần số của TLD được điều chỉnh nhỏ hơn tần số riêng của kết cấu, và khi đó tần số phi tuyến thật của TLD

sẽ gần với tần số riêng của kết cấu

Li và cộng sự (2002) [16] giải phương trình liên tục và phương trình động lượng của chất lỏng có mực nước nông sử dụng phương pháp phần tử hửu hạn Họ đơn giản hóa bài toán trong không gian ba chiều bằng cách xét bài toán theo một phương, điều này có nhiều thuận lợi trong quá trình tính toán Tuy nhiên, nghiên cứu này không được kiểm chứng bằng thực nghiệm

Tait (2008) [17] phát triển một mô hình cơ học tuyến tính tương đương để tính toán năng lượng tiêu tán bởi các màn ngăn (screen) khi chịu kích động điều hòa

và ngẫu nhiên Mô hình này được kiểm chứng lại bằng thực nghiệm và một quy trình thiết kế sơ bộ TLD với các màn ngăn đã được đề xuất

Cassolato và cộng sự (2010) [18] đề xuất sử dụng các màn ngăn bên trong để tăng tỷ số cản của TLD Họ tính toán hệ số tổn hao ứng suất cho các màn ngăn và ước lượng năng lượng tiêu tán bởi các màn ngăn đồng thời phát triển mô hình mô tả trạng thái ổn định của chất lỏng Mô hình đó cho thấy rằng một TLD được trang bị các màn ngăn điều chỉnh được có thể tạo ra một tỷ số cản không đổi trên một dải của biên độ kích thích

23

Li và Wang (2004) [19] đề xuất sử dụng nhiều TLD để giảm phản ứng của nhiều mode dao động của các kết cấu cao tầng khi chịu kích thích của động đất Các TLD được điều chỉnh cho phù hợp với các mode dao động đầu tiên của kết cấu Kếtquả lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra rằng với cùng một tỷ số khối lượng, hệ gồm nhiều TLD sẽ cho hiệu quả tốt hơn hệ chỉ gồm một TLD

Koh và cộng sự (1995) [20] cũng đã nghiên cứu hệ giảm chấn gồm nhiều TLD với tần số đựợc điều chỉnh phù hợp với tần số các mode dao động của kết cấu Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng nhiều TLD hiệu quả hơn một TLD Hơn nữa, họ cho thấy rằng sự làm việc của TLD phụ thuộc nhiều vào kích thích tự nhiên và vị trí lắp đặt

Tait và cộng sự (2005, 2007) [17,11] tiến hành nghiên cứu ứng xử theo hai phương của TLD TLD được cho chịu các kích động theo một phương và hai phương nằm ngang Đặc trưng động của nước trong bể chứa được mô tả bởi chuyển động của mặt thoáng, lực cắt đáy và năng lượng tiêu tán Kết quả cho thấy TLD ứng

xử tách rời theo hai phương Điều đó cho phép sử dụng bể chứa hình chữ nhật để giảm phản ứng động theo hai phương vuông góc của kết cấu

Banerji và cộng sự (2000) [21] nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số quan trọng của TLD dựa trên mô hình được đề xuất bởi Sun và cộng sự (1992) [9] Giá trị tối ưu của chiều sâu chất lỏng, tỷ số giữa khối lượng TLD và tổng khối lượng kết cấu, tỷ số giữ tần số của bể và tần số dao động tự nhiên của kết cấu được xác định thông qua thực nghiệm Sau đó, một quy trình thiết kế TLD trong thực tế được kiến nghị để giảm phản ứng động cho kết cấu khi chịu động đất

Chang và Gu (1999) [22] tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để xác định các thông số tối ưu của TLD được lắp đặt trên đỉnh của kết cấu chịu kích động vortex (một trường hợp đặc biệt của tải trọng gió) Một loạt các thí nghiệm hầm gió với các dạng khác nhau của TLD được thực hiện Họ đề xuất tỷ số giữa tần

số TLD và tần số kết cấu nằm trong khoảng 0.9 đến 1 và tỷ số khối lượng là 2.3%

Ikeda (2003) [23] nghiên cứu ứng xử phi tuyến của TLD khi gắn vào kết cấu đàn hồi chịu kích thích điều hòa theo phương đứng Ông ấy quan sát thấy rằng khi lựa chọn được một mức chất lỏng tối ưu thì bể chứa chất lỏng có thể khử được kích thích điều hòa theo phương đứng Ikeda (2010) [24] nghiên cứu ảnh hưởng của hai

bể chứa hình chữ nhật đến kết cấu hai tầng Trường hợp thứ nhất, một bể được đặt ở tầng đỉnh, một bể được đặt ở tầng dưới Trường hợp thứ hai, chỉ một bể đặt trên tầng đỉnh Trường hợp còn lại là cả hai bể cùng đặt trên tầng đỉnh Ông ấy đưa ra kết luận rằng sử dụng nhiều TLD kém hiệu quả hơn trong việc giảm phản ứng cho kết cấu

Love và Tait (2013) [25] nghiên cứu lý thuyết và kiểm chứng bằng thực nghiệm trên mô hình gồm kết cấu và TLD có hình dạng bể chứa phức tạp Phương trình chuyển động của hệ gồm kết cấu và TLD được phát triển dựa trên phương trình Lagrange Kết cấu được cho chịu kích động điều hòa và ngẫu nhiên theo một phương và hai phương Hai TLD có hình dạng bể chứa phức tạp được xét đến Trường hợp thứ nhất, bể có hình dạng không đối xứng theo hai phương Trường hợp còn lại, bể đối xứng theo hai phương Tuy nhiên, ứng xử phi tuyến của chất lỏng không được đề cập đến trong nghiên cứu này

Malekghasemi và cộng sự (2013) [26] [27] đề xuất mô hình số sử dụng đồng thời phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method) cho chất lỏng và phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) cho bể chứa và kết cấu Mô hình được kiểm chứng bằng thực nghiệm và một số mô hình đã được đề xuất trước

đó Kết quả cho thấy mô hình mô tả gần như chính xác ứng xử của TLD dưới tác dụng của kích động điều hòa và động đất Nghiên cứu này cũng cho thấy trong các

mô hình được đề xuất bởi Sun (1992), Yu (1997), Xin (2009) thì mô hình đề xuất bởi Yu (1997) cho kết quả gần với thực nghiệm nhất

Tại Việt Nam, thời gian gần đây một vài tác giả đã nghiên cứu về hệ giảm chấn TLD bao gồm:

25

Nghiên cứu giải pháp điều khiển bị động kết cấu với hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng (TLCD), luận văn thạc sĩ, Ngô Ngọc Cường, 2003 [27] Nghiên cứu giải pháp giảm dao động xoắn của công trình bằng hệ cản điều chỉnh cột chất lỏng TLCD, luận văn thạc sĩ, luận văn thạc sĩ, Lê Ngọc Bảo, 2007 [28] Phân tích khả năng kháng chấn của công trình sử dụng các bể chứa trong đó có xét đến sự tương tác giữa chất lỏng và thành bể, luận văn thạc sĩ, Bùi Phạm Đức Tường, 2010 [3] Nội dung luận văn nghiên cứu các đặc trưng của TLD như tần số dao động sóng, biên độ sóng, lực cắt đáy bể sử dụ ng phương pháp phần tử hữu hạn với sự trợ giúp của phần mềm ANSYS, từ đó ứng dụng TLD làm thiết bị giảm chấn cho công trình Nghiên cứu ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng trong kiểm soát dao động cho cầu dây văng tại Việt Nam, luận án tiến sĩ, Nguyễn Đức Thị Thu Định, 2015 [4] Luận án nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình kết cấu một bậc tự do có gắn nhiều hệ giảm chấn TLD Phân tích ảnh hưởng của bể nước đến khả năng kháng chấn của công trình, luận văn thạc sĩ, Nguyễn Ngọc Viên, 2016 [29] Luận văn chú trọng giải quyết bài toán kết cấu nhiều bậc tự do có gắn TLD chịu tải điều hòa và động đất bằng chương trình được tác giả lập trình bằng Matlab Phân tích tương tác của chất lỏng và thành bể dạng trụ tròn dung tích lớn có chiều dày thành bể thay đổi chịu tải trọng động đất, luận văn thạc sĩ, Võ Đình Nhật Khánh 2016 [30] Luận văn này khảo sát một cách tổng quát các đặc trưng của bể chứa chất lỏng có dung tích lớn bằng cách sử dụng phần mềm ANSYS Phân tích một công trình cụ thể chịu tải trọng động đất, xem xét đáp ứng của công trình và khẳng định khả năng tự kháng chấn của công trình dạng bể trụ tròn

Đối với lĩnh vực kết cấu công trình ngoài khơi, cho đến nay, đã có nhiều tác giả nghiên cứu ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng cho nhiều dạng kết cấu công trình ngoài khơi khác nhau, điển hình như: Qiao Jin và cộng sự (2007) nghiên cứu ứng dụng hệ kháng chấn chất lỏng để kiểm soát phản ứng của giàn khoan cố định dưới tải trọng động đất [31].Well và Biswajit Basu (2008) nghiên cứu ứng dụng hệ kháng chấn cột chất lỏng cho các turbine gió ngoài khơi [32].Xiaohui Zeng và cộng sự (2014) nghiên cứu, đề xuất hệ giảm chất cột chất lỏng dạng chữ S để giảm dao động

cho các kết cấu công trình ngoài khơi [33] V.Jaksic và cộng sự (2015) nghiên cứu ứng dụng hệ kháng chấn cột chất lỏng kiểm soát dao động cho kết cấu công trình giàn khoan chân neo căng đứng (Tension Leg Platform) [34]

2.8 Kết luận chương:

Nội dung chương 2 đã giới thiệu tổng quan về kết cấu giàn khoan và hệ giảm chấn chất lỏng, các ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng trong thực tiển và tình hình nghiên cứu liên quan Qua đó, có thể thấy hiện nay, việc nghiên cứu ứng dụng hệ kháng chấn chất lỏng đang được tập trung nghiên cứu, với nhiều hướng nghiên cứu phong phú khác nhau ,từ phân tích hình dạng bể chứa, chất lỏng sử dụng trong thiết bị… đến phương pháp giải các phương trình động lực học của chất lỏng

Tuy nhiên, các nghiên cứu chủ yếu tập trung chủ yếu trong lĩnh vực kháng chấn cho công trình xây dựng, đặc biệt là nhà cao tầng Các nghiên cứu ứng dụng cho dạng kết cấu công trình ngoài khơi vẫn còn rất khiêm tốn và chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều

3.2 Dao động của chất lỏng

Hệ giảm chấn chất lỏng TLD có nguyên lý làm việc tương tự như hệ giảm chấn khối lượng TMD tức là cả hai thiết bị này đều đóng vai trò là lực quán tính như ngoại lực tác dụng vào kết cấu làm cho hệ trở về trạng thái cân bằng Ở TLD thì thông qua sự dao động của sóng chất lỏng làm tiêu hao một phần năng lượng bên ngoài truyền vào Cụ thể, hoạt động của giảm chấn chất lỏng dựa trên hoạt động của chất lỏng bên trong bể chứa Khi chịu tác dụng của kích thích bên ngoài, TLD chuyển động kéo theo chất lỏng bên trong bể chứa chuyển động ở dạng sóng Các sóng hình thành bên trong bể chứa có thể là sóng nông, sóng sâu, sóng dài và đôi khi hình thành cả sóng vỡ Các loại chuyển động sóng khác nhau sẽ tạo hiệu quả giảm dao động của TLD cho kết cấu là khác nhau Hiệu quả này được đánh giá thông qua lực xuất hiện trong hệ, khi các chất điểm của chất lỏng chuyển động hợp lại theo nguyên lý cộng tác dụng [38] Các lực hình thành nên do chuyển động sóng trong bể chứa gây ra các áp lực lên thành bể và áp lực này đóng vai trò là lực quán tính làm cho hệ trở về trạng thái cân bằng Cơ chế hoạt động của thiết bị của TLD

có thể được tóm tắt qua Hình 3-1, đó là khi kết cấu chịu tác dụng của tải trọng động

và hệ sẽ phản ứng động mạnh nhất khi tải trọng có tần số tác dụng bằng với tần số dao động tự nhiên của kết cấu

Hình 3-1: Cơ chế hoạt động của thiết bị TLD và TMD

Trong đó: Fe là ngoại lực tác dụng vào kết cấu; Fd là lực quán tính sinh ra do

sự hoạt động của hệ giảm chấn; Ein là năng lượng bên ngoài truyền vào sẻ bằng tổng năng lượng do Ed là năng lượng tiêu tán do hoạt động của giảm chấn chất lỏng TLD cộng với Es là năng lượng dao động trong kết cấu và Er là năng lượng truyền từ TLD ngược lại kết cấu bên dưới khi TLD hấp thụ không hết hoặc không hấp thụ ngay năng lượng

Dựa vào cơ chế hoạt động tóm tắt như Hình 31dễ thấy được rằng năng lượng truyền được tiêu tán thông qua sự hoạt động của chất lỏng đóng vai trò như phản lực tác dụng có chiều ngược với chiều tác dụng của ngoại lực và một phần năng lượng sẻ bị tiêu tán qua sự hoạt động của sóng

Việc tính toán tác động của chất lỏng trong bể chứa dựa trên cơ sở lý thuyết sóng Các lý thuyết tuyến tính đối với các chuyển động của sóng được thể hiện nhằm hiểu rỏ các đặc trưng cơ sở của chuyển động như: tần số dao động tự nhiên, áp lực phân bố lên thành bể, lực cắt đáy…

3.2.1 Lý thuyết sóng nông tuyến tính

Xét dòng sóng 2D như trên Hình 3-2 (mặt phẳng xoz), chiều sâu chất lỏng là

h, và z = 0 tại bề mặt chất lỏng khi mực nước tỉnh, η mô tả chuyển động mặt thoáng của chất lỏng Sóng là một hàm của vị trí x và biến đổi theo thời gian t L và H thể