(LUẬN án TIẾN sĩ) 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

Giới thiệu cấu tạo kết cấu công trình biển cố định bằng thép

Kết cấu công trình biển cố định bằng thép là dạng khung giàn không gian, được liên kết với đất qua hệ thống móng cọc hoặc móng trọng lực bê tông cốt thép Những công trình này được xây dựng ngoài khơi nhằm phục vụ cho việc khai thác dầu khí, thực hiện các dịch vụ kinh tế khác, hoặc phục vụ nhiệm vụ quốc phòng Luận án tập trung vào các kết cấu công trình biển cố định bằng thép dạng móng cọc, với cấu tạo tổng thể chia thành ba phần chính.

Kết cấu thượng tầng (Topside) đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ các bộ phận chức năng và tạo ra không gian kiến trúc phục vụ nhu cầu sinh hoạt của con người, đồng thời tích hợp hệ thống thiết bị của công trình một cách hiệu quả.

Kết cấu khối chân đế (Substructure) đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ thượng tầng và hệ thống đầu giếng, cũng như các riser kết nối giữa công nghệ thượng tầng và công nghệ đáy biển phục vụ khai thác Với thiết kế dạng khung không gian, kết cấu này giúp truyền tải trọng lực hiệu quả vào hệ thống móng cọc.

Móng cọc là một loại kết cấu quan trọng trong xây dựng, bao gồm các cọc được đóng vào ống chính hoặc hệ thống cọc váy Chức năng chính của móng cọc là cố định công trình tại vị trí xây dựng và truyền tải trọng xuống đất nền một cách hiệu quả.

Cấu trúc công trình biển không chỉ phải chịu tải trọng bản thân và tải trọng từ các hệ thống phụ trợ, mà còn phải đối mặt với các tác động từ môi trường, đặc biệt là tải trọng sóng Tải trọng sóng có tính chất ngẫu nhiên và kéo dài, là yếu tố chính ảnh hưởng đến an toàn của công trình, cả về độ bền và độ mỏi trong suốt quá trình khai thác.

Với vị trí đặc thù và chịu nhiều tác động phức tạp, kết cấu công trình biển bằng thép cần đảm bảo mức độ an toàn cao Điều này yêu cầu chú trọng từ khâu thiết kế cho đến quá trình thi công, chế tạo, lắp đặt và vận hành.

Hình 1.1 Cấu tạo chung kết cấu công trình biển cố định bằng thép móng cọc

Tình hình phát triển và phạm vi ứng dụng của kết cấu công trình biển cố định bằng thép trên thế giới và tại Việt Nam

bằng thép trên thế giới và tại Việt Nam

Sự phát triển của các công trình biển cố định bằng thép gắn liền với ngành công nghiệp dầu khí, bắt đầu từ năm 1938 khi công trình đầu tiên được xây dựng tại mỏ ven bờ Louisiana, vịnh Mê-hi-cô, ở độ sâu 5m.

Tính đến năm 2009, các công trình biển cố định kiểu Jacket bằng thép đã được phân bố rộng rãi ở 53 quốc gia, với số lượng giàn cụ thể như sau: Vịnh Mexico (Mỹ) có gần 4.000 giàn, Châu Á có 950 giàn, khu vực Trung Đông 700 giàn, Châu Âu và Biển Bắc cũng như Đông Bắc Đại Tây Dương có 490 giàn, khu vực biển Tây Phi 380 giàn, và khu vực Nam Mỹ 340 giàn.

Để đáp ứng nhu cầu năng lượng cho xã hội, các công trình biển đang ngày càng mở rộng ra xa bờ và đa dạng hóa về chức năng cũng như loại hình Trong số các dạng kết cấu, công trình biển cố định bằng thép nổi bật với tính phổ thông, tính kinh tế và phù hợp cho các khu vực khai thác dưới 400m nước.

Hình 1.2 Các loại công trình biển sử dụng theo độ sâu nước [5]

Hình 1.3 Thống kê phạm vi ứng dụng của các loại công trình biển [5]

Bảng 1.1 Thống kê một số công trình biển cố định bằng thép điển hình ở độ sâu lớn nhất đã xây dựng trên thê giới [5]

Các giàn kiểu Jacket ở độ sâu lớn nhất thế giới STT Tên giàn Năm

XD Độ sâu nước Vùng biển Điều hành

1 Cognac 1978 312m Vịnh Mê-xi-cô Shell

2 Amberjack 1991 314m Vịnh Mê-xi-cô BP

Các giàn kiểu Jacket ở độ sâu lớn nhất thế giới

4 Virgo 1999 344m Vịnh Mê-xi-cô Total-Fina Elf

5 Harmony 1992 366 Biển Nam Cali Exxon Mobi

6 Pompano 1994 393 Vịnh Mê-xi-cô BP

7 Bullvinkle 1991 412 Vịnh Mê-xi-cô Shell

Hình 1.4 Thống kê các công trình biển cố định bằng thép sâu nhất thế giới [5]

Ngày 31/03/1984 đánh dấu một cột mốc quan trọng trong ngành xây dựng CTB Việt Nam, khi XNLD Vietsovpetro lần đầu tiên thành công trong việc xây dựng chân đế OB1 của giàn MSP1 tại mỏ Bạch.

Tại Việt Nam, đã có hơn 70 CTB cố định bằng thép kiểu Jacket được xây dựng, chủ yếu ở độ sâu khoảng 50m, tập trung tại khu vực mỏ Bạch Hổ và Rồng thuộc bồn trũng Cửu Long, cách bờ biển Vũng Tàu khoảng 120km về phía Đông Nam Giàn khai thác khí tại mỏ Lan Tây là công trình có độ sâu lớn nhất, đạt 125m và đưa vào khai thác vào tháng 11 năm 2002 Ngược lại, giàn đầu giếng Thái Bình tại mỏ Thái Bình có độ sâu nhỏ nhất là 29,2m, hoàn thành xây dựng và đưa vào khai thác vào năm 2010.

Bản đồ trữ lượng dầu khí Việt Nam cho thấy rằng, qua các nghiên cứu về tiềm năng dầu khí và sự phân bố độ sâu nước, xu hướng sử dụng công trình biển cố định kiểu Jacket sẽ tiếp tục là lựa chọn hàng đầu trong phát triển các mỏ dầu khí Điều này đặc biệt đúng trong bối cảnh thềm lục địa và vùng đặc quyền kinh tế của Việt Nam có độ sâu lên đến 300m.

Hình 1.5 Các bể trầm tích và trữ lượng dự báo trong vùng biển Việt Nam

Hiện nay, để tiết kiệm chi phí khai thác, các chủ đầu tư mỏ ở Việt Nam đang giảm bớt việc xây dựng giàn mới và thay vào đó, tập trung vào việc tận dụng các giàn đã có sẵn thông qua hai 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 sau khi hết tuổi thọ thiết kế

Một số số liệu thống kê minh chứng cho nhận định trên được trình bày trong bảng 1.2 và 1.3 dưới đây

Bảng 1.2 trình bày thống kê về một số giàn điển hình đã được nâng cấp, dựa trên các báo cáo tính toán từ Viện Xây dựng Công trình Biển thuộc Đại học Xây dựng và công ty.

Technip VN, mà tác giả đã trực tiếp tham gia)

Giàn Chủ đẩu tư Thời điểm bắt đầu khai thác

Nội dung nâng cấp Đại Hùng

PVGas 2011 2013 Mở rộng thượng tầng để lắp thêm:

Lắp thêm 2 Riser trên khối chân đế

Topaz A Petronas 2010 2014 Mở rộng thượng tầng để lắp thêm:

+ Bố trí lại một số thiết bị;

Nghiên cứu của JVPC từ năm 1998 đến 2015 đã đề xuất phương án lắp đặt thêm 2 đầu giếng 12’’ cùng với hệ thống đường ống kết nối vào hệ thống hiện tại Bảng 1.3 trình bày nhu cầu kéo dài thời gian khai thác của một số giàn mỏ Bạch Hổ đã hết tuổi thọ tính đến năm 2015, dựa trên tài liệu của Cục Đăng kiểm Việt Nam.

STT Tên giàn Năm xây dựng Tuổi thọ

Khi khai thác giàn, kết cấu của nó phải chịu áp lực trong những điều kiện khắc nghiệt và rủi ro, không được tính đến trong thiết kế ban đầu Các yếu tố này bao gồm tình huống bất thường trong quá trình khai thác, điều kiện môi trường khắc nghiệt, và các tổn thất như vết nứt do mỏi, ăn mòn và khuyết tật do va đập Hình 1.6 và 1.7 minh họa một số sự cố điển hình gây tổn thất tại các giàn khoan ở vùng biển Việt Nam.

Hình 1.6 Khuyết tật do sự cố va tàu và vật rơi [5]

Hình 1.7 Kết cấu chân đế bị rỉ và bị nứt sau khi rỉ [5]

Để tối ưu hóa khả năng khai thác giàn mà vẫn đảm bảo an toàn, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp luận đánh giá kết cấu nhằm gia hạn trong điều kiện Việt Nam là cần thiết và quan trọng.

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

Hiện nay, nhiều hệ thống tiêu chuẩn và quy phạm toàn cầu như API, DnV, ISO, NORSOK và NPD đều quy định việc tính toán thiết kế kết cấu công trình biển cố định bằng thép theo các trạng thái giới hạn.

Trạng thái giới hạn cực hạn (ULS) là phương pháp kiểm tra độ bền của các phần tử kết cấu, nhằm xác định khả năng chịu tải trong các điều kiện bất lợi nhất, bao gồm trạng thái bão cực hạn, khai thác và thi công.

Trạng thái giới hạn mỏi (FLS) được sử dụng để dự báo khả năng phá hủy mỏi giai đoạn 1 của các nút kết cấu, dựa trên phương pháp Palmgren-Miner, phù hợp với các điều kiện biển dài hạn trong suốt thời gian khai thác cần thiết.

Trạng thái giới hạn sử dụng (SLS) là tiêu chí quan trọng để đánh giá khả năng sử dụng bình thường của kết cấu công trình Nó đảm bảo rằng kết cấu đáp ứng các yêu cầu về chuyển vị cho phép và mức độ rung động cho phép, từ đó phù hợp với chức năng của công trình.

Trạng thái giới hạn phá hủy lũy tiến (PLS) và trạng thái giới hạn sự cố (ALS) đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá độ bền cực hạn của giàn trong các tình huống bất thường như cháy, nổ, vật rơi, và va chạm tàu Những trạng thái này cũng xem xét khả năng chịu tải trọng môi trường vượt mức thiết kế, đặc biệt khi cấu trúc hoạt động trong giai đoạn ngoài đàn hồi, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của hệ thống đến kết cấu.

Bảng 1.4 Đối tượng phân tích theo các trạng thái giới hạn

STT Trạng thái giới hạn Đối tượng phân tích

1 Cực hạn Độ bền kết cấu theo điều kiện làm việc trong giai đoạn đàn hồi:

2 Mỏi Phân tích đánh giá phá hủy mỏi giai đoạn 1 của các điểm tập trung ứng suất (điểm nóng), thông thường nằm trên các nút giao giữa các ống

- Chuyển vị ngang của đỉnh kết cấu;

- Độ võng của các phần tử kết cấu;

- Mức độ rung động cho phép;

Sự cố Độ bền cực hạn của hệ thống kết cấu:

- Hệ số cường độ dự trữ (RSR)

- Khả năng chảy dẻo toàn phần của phần tử kết cấu

- Giới hạn biến dạng của kết cấu

Các trạng thái giới hạn không chỉ hỗ trợ thiết kế kết cấu giàn mới mà còn quan trọng trong việc đánh giá lại, đánh giá gia hạn tuổi thọ và đánh giá khả năng tái sử dụng giàn hiện trạng dựa trên số liệu khảo sát Theo API RP 2A, việc đánh giá lại giàn được phân thành ba mức khác nhau.

Kiểm tra theo mức độ thiết kế (Design Level) là quá trình tính toán và đánh giá kết cấu dựa trên trạng thái giới hạn bền và mỏi, tương ứng với tải trọng thiết kế ban đầu.

Phân tích độ bền cực hạn của kết cấu (Global Ultimate Strength) là quá trình tính toán và kiểm tra khả năng chịu tải của kết cấu trong các tình huống vượt quá thiết kế, bao gồm các sự cố như cháy, nổ, va chạm tàu hoặc vật rơi Việc này giúp đánh giá độ an toàn và độ ổn định của kết cấu trong các điều kiện khắc nghiệt.

+ Phân tích rủi ro (Risk Assessment)

Dưới đây là bảng thống kê nội dung và phương pháp đánh giá lại được sử dụng trong các tiêu chuẩn quy phạm

Bảng 1.5 Tổng kết nội dung và phương pháp đánh giá lại kết cấu giàn theo tiêu chuẩn quy phạm

Tiêu chuẩn Nội dung đánh giá lại Phương pháp đánh giá API RP2A Đánh giá kết cấu chịu tác động của tải trọng môi trường biển

+ Đánh giá theo mức độ thiết kế, tương ứng với điều kiện môi trường biển chu kỳ lặp

+ Đánh giá độ bền cực hạn theo hệ số cường độ dự trữ RSR;

Giới hạn an toàn của các phương pháp đánh giá phụ thuộc vào cấp độ an toàn của giàn Việc đánh giá kết cấu phải xem xét tác động của tải trọng động đất để đảm bảo tính ổn định và an toàn cho công trình.

Đánh giá độ bền cực hạn của kết cấu cần thực hiện thông qua phân tích động lực học, nhằm xác định khả năng chịu đựng của công trình trước các trận động đất có chu kỳ lặp từ 500 đến 1000 năm Việc này liên quan đến cấp an toàn của giàn và khả năng kết cấu chịu tác động của các yếu tố môi trường.

Đánh giá thiết kế theo tải trọng băng quy định trong API RP 2N cho phép gia tăng ứng suất cho phép từ 50% đến 70%, tùy thuộc vào cấp an toàn của giàn.

+ Đánh giá độ bền cực hạn của giàn tương ứng với tải trọng băng quy định trong API

RP 2N có hệ số cường độ dự trữ giới hạn từ 0.8 đến 1.6, tùy thuộc vào cấp an toàn của giàn Việc đánh giá kết cấu chịu tải trọng sự cố bao gồm các yếu tố như cháy, nổ, vật rơi và va chạm với tàu.

+ Kiểm tra tương ứng với phân mức theo ma trận rủi ro;

+ Kiểm tra trong trạng thái chịu tải trọng sự cố khi cho phép kết cấu làm việc trong giai đoạn ngoài đàn hồi, có chuyển vị lớn;

+ Kiểm tra bền kết cấu sau khi tổn thất do sự cố theo ứng suất cho phép;

Tiêu chuẩn ISO 19902 quy định việc đánh giá các tác động tương tự như trong API RP 2A, bao gồm đánh giá theo mức độ thiết kế và độ bền cực hạn Ngoài ra, tiêu chuẩn này còn yêu cầu đánh giá tái sử dụng giàn và tổng tổn thất mỏi trong giai đoạn 1, đảm bảo thời gian khai thác và gia hạn sử dụng không vượt quá 1.

NORSOK N-004 là tiêu chuẩn đánh giá nhằm kéo dài thời gian khai thác giàn, bao gồm việc đánh giá mỏi cho phép lan truyền chậm vết nứt tại các điểm nóng theo quy định của luật Paris Tiêu chuẩn này cũng xem xét sự suy giảm độ bền do ăn mòn và áp dụng phương pháp hệ số thành phần cho các kết cấu làm việc trong giai đoạn đàn hồi Ngoài ra, đánh giá còn bao gồm sự suy giảm cường độ của nền dưới tác động động của tải trọng, với các hệ số tương ứng được xác định là 1.0 Cuối cùng, NORSOK N-004 cũng đánh giá khả năng chịu tải trọng từ các sự cố như cháy, nổ, vật rơi và va chạm tàu.

+ Kiểm tra trong trạng thái chịu tải trọng sự cố khi cho phép kết cấu làm việc trong giai đoạn ngoài đàn hồi, có chuyển vị lớn;

Kiểm tra độ bền kết cấu sau tổn thất do sự cố cần dựa trên ứng suất cho phép Đánh giá này phải xem xét các tải trọng môi trường có tần suất hiếm, bao gồm tải trọng môi trường biển, tải trọng động đất và tải trọng do băng.

+ Các tải trọng tương ứng với chu kỳ lặp 10000 năm;

+ Cho phép kết cấu làm việc trong giai đoạn ngoài đàn hồi, có chuyển vị lớn;

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

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

Phân tích phi tuyến kết cấu với tính chất ngẫu nhiên của vật liệu và tải trọng là một nhiệm vụ phức tạp Hiện nay, các phương pháp phân tích như mô phỏng Monte Carlo, tuyến tính hóa tương đương, tích phân trọng số, mặt phản ứng và phân tích mờ đang được sử dụng rộng rãi Trong số đó, phương pháp mặt phản ứng thường được áp dụng để đánh giá trạng thái giới hạn của kết cấu phụ thuộc vào nhiều yếu tố ngẫu nhiên, thông qua việc thiết lập hàm quan hệ giữa chỉ tiêu trạng thái giới hạn và các đại lượng ngẫu nhiên Ngoài ra, các nghiên cứu về lan truyền vết nứt ngẫu nhiên do mỏi cũng được thực hiện dựa trên lý thuyết cơ học phá hủy.

Lan truyền vết nứt do mỏi tại các điểm nóng của kết cấu khi chịu tải trọng không đều là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào thứ tự chất tải, mối quan hệ giữa số chu trình và biên độ tải trọng, cùng với chiều hướng của tải trọng và hiện trạng vết nứt Nghiên cứu về vấn đề này đã được thực hiện rộng rãi trên thế giới, với nhiều tài liệu tham khảo hữu ích Đối với các kết cấu công trình biển chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên, việc đánh giá phá hủy mỏi theo điều kiện lan truyền vết nứt thường sử dụng các phương pháp như mô phỏng Monte Carlo trực tiếp, mô hình hai trạng thái (Two-State Crack Growth Model) và phương pháp biên an toàn.

Theo Barltrop (1990), quá trình lan truyền vết nứt do mỏi được coi là chậm, do đó có thể thay thế tập hợp các số gia ứng suất trong một trạng thái biển thứ i bằng một số gia ứng suất gây ra một vết nứt tương đương.

Số gia ứng suất tương đương của trạng thái biển thứ i được ký hiệu là  eqi, trong đó p ij là tỷ lệ thời gian xuất hiện số gia ứng suất  ij so với tổng thời gian của trạng thái biển thứ i Hệ số đặc trưng phá hủy của vật liệu được ký hiệu là m Các nghiên cứu đánh giá an toàn kết cấu dựa trên phân tích tương tác bền mỏi ngẫu nhiên là rất quan trọng để đảm bảo tính bền vững và độ tin cậy của công trình.

- Nghiên cứu của Moan T và Ayala E năm 2002 [43], Moan T năm 2013 [44]

Nghiên cứu này đánh giá an toàn kết cấu dựa trên các trạng thái giới hạn cực hạn, trạng thái giới hạn mỏi và trạng thái giới hạn sự cố thông qua phương pháp xác suất Đặc biệt, nghiên cứu đề xuất cách xác định xác suất phá hủy tổng thể của kết cấu P FSYS khi xảy ra sự cố.

  (1.2) Trong đó i là số thứ tự của sự cố, D là tổn thất do sự cố A jk tại vị trí thứ j với cường độ k gây ra

P FSYS D xác định theo các tác động và tương quan của nó với các nguy cơ gây tổn thất, P D A  i jk 

 , P(A ) i jk xác định theo phân tích rủi ro

- Báo cáo nghiên cứu của Đại học Surrey năm 2000 [61]

Nghiên cứu này nhằm đánh giá độ tin cậy của kết cấu bằng cách xem xét các yếu tố ngẫu nhiên từ môi trường, tải trọng, đến đặc trưng của kết cấu và nền đất Đặc biệt, nghiên cứu tập trung vào việc xác định độ bền cực hạn ngẫu nhiên của kết cấu thông qua hệ số cường độ dự trữ (RSR - Reserve Strength Ratio), áp dụng phương pháp xác suất dựa trên các đặc trưng ngẫu nhiên của kết cấu và tải trọng.

- Báo cáo của hãng Aker Offshore Partner A.S năm 2002 [13]

Nghiên cứu đề xuất xây dựng cấp mục tiêu đánh giá độ tin cậy thông qua việc phân tích độ bền phần tử theo trạng thái giới hạn cực hạn, tổn thất mỏi của các nút theo trạng thái giới hạn mỏi, và độ bền cực hạn của hệ thống khi chịu quá tải cùng với ảnh hưởng của các dạng phá hủy mỏi Điều kiện phá hủy mỏi được giới hạn ở giai đoạn 1, dựa trên tỷ số tổn thất tích lũy mỏi, và khi phần tử gặp điểm phá hủy mỏi, phần tử đó sẽ bị loại bỏ.

Xác suất phá hủy hệ thống PFSYS kể đến ảnh hưởng của phá hủy mỏi cũng được biểu diễn tương tự như công thức trên:

Trong đó F j là sự kiện phá hủy mỏi tại nút j, P FSYS U F [ ( ) j ] là xác suất phá hủy kết cấu tổng thể U khi kể đến phá hủy mỏi tại nút j

Luận án tiến sỹ của Gerhard Ersdal năm 2005 đánh giá việc gia hạn khai thác kết cấu thông qua phân tích độ bền cực hạn tổng thể Nghiên cứu này xem xét sự phá hủy mỏi dựa trên độ tin cậy của hàm trạng thái g i tại năm thứ i, tương ứng với chiều cao sóng chu kỳ lặp T năm cho trước, H T.

H và β là các hệ số được xác định dựa trên mối quan hệ giữa tải trọng và chiều cao sóng giới hạn có khả năng gây đổ giàn, trong khi RSR đại diện cho hệ số cường độ dự trữ.

Hệ số giảm yếu do phá hủy mỏi tại thời điểm có i phần tử ống nhánh bị hư hại được xác định với giả thiết rằng khi tại nút giao giữa ống chính và ống nhánh xuất hiện vết nứt sâu bằng chiều dày ống nhánh, các ống nhánh sẽ bị loại bỏ khỏi liên kết với ống chính trong sơ đồ tính toán Điều này giúp xác định tổng lực gây đổ giàn, với F ET i và F ET i-1 tương ứng là tổng lực môi trường gây đổ giàn ở trạng thái phá hủy mỏi thứ i và i-1.

Nghiên cứu đánh giá an toàn kết cấu công trình biển theo phương pháp xác suất kể đến tương tác bền và mỏi ở Việt Nam

đến tương tác bền và mỏi ở Việt Nam a) Phương pháp đánh giá an toàn của các loại kết cấu công trình biển theo quan điểm của

Phương pháp đánh giá theo quan điểm của GS Phạm Khắc Hùng được mô tả chi tiết trong tài liệu tham khảo [5] và [6] Phương pháp này đã được ứng dụng thành công trong luận án của TS Phạm Hiền Hậu năm 2010 và TS Mai Hồng Quân năm 2014.

Năm 2010, TS Phạm Hiền Hậu hoàn thành luận án tiến sĩ với đề tài “Đánh giá độ tin cậy của hệ thống dây neo giữ các trạm chứa và rót dầu nổi (FSO/FPSO) ở Việt Nam, có kể đến tổn thất mỏi tích lũy” Luận án này đã được bảo vệ thành công tại hội đồng trường Đại học Liège, Vương quốc Bỉ.

Tác giả đã tiến hành nghiên cứu về phản ứng tựa động và động lực học của hệ thống neo bể chứa nổi, phân tích tổn thất mỏi tích lũy và đánh giá độ tin cậy tổng hợp của hệ thống neo FPSO, bao gồm cả tổn thất do mỏi Nghiên cứu này được áp dụng cho các FSO tại mỏ Bạch Hổ, Việt Nam, sử dụng phần mềm chuyên dụng của Đăng kiểm Pháp Đây cũng là một phần của Đề tài cấp Nhà nước (KC.09.15/06-10) do GS Phạm Khắc Hùng làm chủ nhiệm.

Năm 2014, TS Mai Hồng Quân đã bảo vệ thành công luận án tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu sự suy giảm độ tin cậy theo thời gian của chân đế công trình biển cố định bằng thép do ảnh hưởng của tổn thất mỏi" Trong nghiên cứu, tác giả đã phân tích tác động của tổn thất mỏi giai đoạn đến độ tin cậy của các công trình này.

Nghiên cứu tập trung vào khả năng chịu lực trong giai đoạn đàn hồi của kết cấu và tác động của bão cực đại đến tổn thất mỏi của kết cấu công trình biển cố định bằng thép kiểu jacket Đề tài này đã được bảo vệ thành công tại hội đồng trường Đại học Xây dựng.

Phân tích và đề xuất hướng nghiên cứu

 Nhận xét các tiêu chuẩn trong mục 1.2

Hầu hết các tiêu chuẩn hiện hành chỉ cung cấp hướng dẫn cho việc tính toán kết cấu trong các trạng thái giới hạn cơ bản như ULS, FLS, SLS, mà chưa đề cập cụ thể đến điều kiện vượt mức thiết kế.

API RP 2A và ISO 19902 quy định việc đánh giá lại kết cấu trong quá trình khai thác, đặc biệt khi đối mặt với sự cố hoặc điều kiện môi trường bất thường Các tiêu chuẩn này cũng cho phép tái sử dụng giàn ở những điều kiện mới, miễn là cấu trúc giàn vẫn còn trong thời gian thiết kế và chưa xuất hiện vết nứt do mỏi.

NORSOK N-004 quy định việc đánh giá độ bền của giàn khoan, đặc biệt khi xem xét ảnh hưởng của vết nứt trong quá trình đánh giá gia hạn thời gian khai thác Tuy nhiên, tiêu chuẩn này vẫn chưa đề cập đầy đủ đến một số khía cạnh quan trọng khác.

Phương pháp đánh giá kết cấu chịu tải trọng môi trường vượt mức thiết kế cho phép khai thác kết cấu ngoài miền đàn hồi, đồng thời chấp nhận sự xuất hiện của vết nứt do mỏi Việc này giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình sử dụng kết cấu, đồng thời tối ưu hóa chi phí bảo trì và sửa chữa.

Thời gian kéo dài và điều kiện môi trường vượt mức thiết kế có thể xảy ra trong khoảng thời gian đó, từ đó xác định thời gian kéo dài tối đa cho phép tương ứng với xác suất rủi ro chấp nhận.

 Nhận xét các nghiên cứu đã giới thiệu trong mục 1.3

Các nghiên cứu trong mục 1.3.2 chỉ ra rằng thế giới hiện đang tìm kiếm các phương pháp mới để đánh giá lại kết cấu công trình biển nhằm gia hạn thời gian khai thác của giàn Hầu hết các phương pháp đánh giá hiện tại dựa trên lý thuyết xác suất, tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được hoàn thiện khi áp dụng cho các kết cấu công trình biển cố định bằng thép.

Hầu hết các nghiên cứu về đánh giá kết cấu chỉ tập trung vào thời điểm biến hình và sụp đổ Tuy nhiên, thực tế cho thấy rằng kết cấu không thể tiếp tục khai thác khi một hoặc nhiều phần tử chính đã trải qua hiện tượng chảy dẻo toàn phần hoặc mất ổn định, ngay cả khi tải trọng thấp hơn.

Hàm trạng thái giới hạn được thiết kế dựa trên hệ số cường độ dự trữ của hệ thống, do đó không xác định rõ ràng các phần tử kết cấu có thể bị phá hủy, điều này ảnh hưởng đến quá trình tính toán thiết kế gia cường.

- Chỉ kể đến khả năng suy giảm độ bền tổng thể do mỏi mà không kể đến trường hợp kết cấu bị phá hủy do mỏi;

- Phân tích lan truyền vết nứt do mỏi theo các tiêu chuẩn hiện hành chỉ dừng ở mô hình tiền định;

Để đánh giá rủi ro và xác định thời gian gia hạn chấp nhận được, cần xem xét mối quan hệ giữa thời gian gia hạn kết cấu giàn và khả năng xảy ra các điều kiện môi trường vượt mức thiết kế trong khoảng thời gian đó.

 Đề xuất hướng nghiên cứu

Luận án nhằm nghiên cứu phương pháp đánh giá khả năng chịu tải vượt mức thiết kế của kết cấu công trình biển cố định bằng thép, phục vụ cho việc xác định thời gian gia hạn phù hợp cho các giàn khoan đã hết hạn sử dụng tại vùng biển Việt Nam Để khắc phục hạn chế của các tiêu chuẩn và nghiên cứu trước đó, phương pháp đánh giá mới sẽ được xây dựng dựa trên một số quan điểm nhất định.

Kế thừa các phương pháp phân tích tương tác bền và mỏi của kết cấu tổng thể theo mô hình phi tuyến ngẫu nhiên, bài viết này sẽ sử dụng kết quả phân tích để đánh giá từng tiết diện của các phần tử kết cấu chính.

Khả năng chịu đựng của kết cấu trước các điều kiện môi trường vượt quá mức thiết kế sẽ được đánh giá trong suốt thời gian khai thác kéo dài, ngay cả khi đã qua tuổi thọ thiết kế.

Điều kiện môi trường vượt quá mức thiết kế tối đa được xác định hàng năm, dựa trên khả năng một tiết diện của phần tử kết cấu chính đạt trạng thái chảy dẻo toàn phần, với xác suất rủi ro đã được chấp nhận trước đó.

Thời gian gia hạn tối đa được xác định dựa trên xác suất rủi ro chấp nhận được, với hai điều kiện quan trọng Thứ nhất, một tiết diện phần tử kết cấu chính phải xuất hiện vết nứt do mỏi với chiều sâu tương đương chiều dày ống Thứ hai, kết cấu cần phải có khả năng chịu được tải trọng môi trường vượt mức thiết kế yêu cầu trong suốt thời gian gia hạn, cho đến khi một tiết diện phần tử kết cấu chính xảy ra hiện tượng chảy dẻo toàn phần.

Đề xuất nội dung nghiên cứu chính của luận án

Để thực hiện mục tiêu nghiên cứu đã trình bày trong mục 1.4, tác giả đề xuất nội dung chính của luận án bao gồm:

Nghiên cứu này dự báo xác suất xuất hiện của các điều kiện môi trường vượt mức thiết kế trong vùng biển Việt Nam trong suốt thời gian khai thác.

Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển phương pháp đánh giá kết cấu trong thời gian kéo dài sau khi hết tuổi thọ thiết kế Phương pháp được xây dựng dựa trên mô hình ngẫu nhiên, nhằm đánh giá độ tin cậy về bền của các phần tử kết cấu trong điều kiện chảy dẻo toàn phần và độ tin cậy về mỏi trong điều kiện lan truyền vết nứt.

Nghiên cứu này xác định các điều kiện môi trường vượt quá mức thiết kế tối đa mà kết cấu vẫn có khả năng chịu đựng Đồng thời, nó kết hợp với các yếu tố từ nội dung trước để đánh giá rủi ro và xác định thời gian kéo dài khai thác cho phép.

Các nội dung này được trình bày trong chương 3 của luận án.

Giới hạn của luận án

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ bền tổng thể của kết cấu từ giai đoạn thiết kế cho đến khi đưa vào sử dụng Để đơn giản hóa vấn đề nghiên cứu mà vẫn đảm bảo tính thực tiễn, luận án này đã đặt ra một số giới hạn nhất định.

- Về tính chất ngẫu nhiên

Mô đun đàn hồi, giới hạn chảy của vật liệu và đặc trưng hình học của tiết diện các phần tử kết cấu chính như ống chính và cọc được coi là các đại lượng ngẫu nhiên phân phối chuẩn Những yếu tố này được sử dụng để phân tích điều kiện bền cực hạn của giàn.

+ Sóng được coi là quá trình ngẫu nhiên dừng, chuẩn, ergodic khi phân tích kết cấu

- Về phương pháp phân tích phi tuyến của kết cấu

Kết cấu được phân tích dựa trên lý thuyết biến dạng lớn, trong đó ảnh hưởng của chuyển vị lớn được xử lý qua việc điều chỉnh vị trí hình học do góc xoay lớn ở hai đầu thanh, cũng như dạng hình học khi thanh được chia thành hai phần mới kết hợp với nhau bằng một góc xác định khi xảy ra mất ổn định Quá trình này diễn ra sau mỗi bước phân tích tương ứng với từng mức gia tải trọng cho đến giá trị cần xem xét.

Phân tích kết cấu chỉ được xem xét dưới phương trình cân bằng tĩnh học khi tải trọng sóng được coi là tải trọng tĩnh Theo tiêu chuẩn API (mục C17.7.3c), phương pháp phân tích phi tuyến tĩnh được chấp nhận khi chu kỳ dao động riêng lớn nhất của kết cấu nhỏ hơn 3 giây Trong trường hợp ảnh hưởng động của sóng lên kết cấu là đáng kể, cần áp dụng phương pháp phân tích phi tuyến động lực học, tuy nhiên vấn đề này chưa được đề cập trong luận án này.

Theo nghiên cứu gần đây, hệ số ảnh hưởng động trong phân tích kết cấu theo trạng thái phá hủy lũy tiến được xác định dựa trên tỷ lệ giữa giá trị chuyển vị giới hạn khi cấu trúc bắt đầu biến hình và giá trị chuyển vị tại thời điểm xuất hiện khớp dẻo đầu tiên Thông tin chi tiết có thể tham khảo trong bài báo “Dynamic Amplification Factor for Progressive Collapse Resistance Analysis of an RC Building” (2009) của nhóm tác giả Meng-Hao Tsai và Bing-Hui Liu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Quốc gia Đài Loan, cũng như luận văn thạc sĩ của tác giả Renata Gomelskaya.

The 2014 thesis from MIT titled "Dynamic Amplification Factor for Moment Resisting Frames in Progressive Collapse" evaluates structural criteria by focusing on the condition where the first main cross-section undergoes full plastic yielding Consequently, the dynamic factor is assumed to be calculated similarly to that of linear structures.

- Về giới hạn phân tích bền hệ thống

+ Vật liệu kết cấu làm việc theo mô hình đàn dẻo lý tưởng;

Kết cấu được coi là bị phá hủy khi một phần tử chính như ống hoặc cọc bị hư hỏng do hiện tượng chảy dẻo toàn phần, mặc dù hệ thống kết cấu tổng thể vẫn còn nguyên vẹn.

Chúng tôi chỉ tập trung vào tính chất chảy dẻo trên các mặt cắt của phần tử thanh, mà chưa xem xét đến tính chất chảy dẻo của nút ống Nếu nghiên cứu được mở rộng, phương trình mặt chảy của nút ống có thể được tham khảo từ tài liệu [59].

- Về giới hạn phân tích mỏi

Phân tích lan truyền vết nứt do mỏi theo luật Paris bị giới hạn bởi tải trọng sóng, sử dụng mô hình cơ học phá hủy tuyến tính Mô hình này được áp dụng khi vết nứt xuất hiện trước khi tiết diện vật liệu đạt đến trạng thái chảy dẻo do chịu tải trong điều kiện biển vượt mức thiết kế.

+ Giả thiết vết nứt lan truyền chậm, trong một trạng thái biển tốc độ lan truyền coi là đều;

+ Giả thiết vết nứt mở rộng theo hình dạng bán e-líp với quan hệ độ sâu và bề rộng vết nứt xác định

+ Khi có số liệu khảo sát định kỳ, thì các vết nứt sẽ được cập nhật cụ thể để phục vụ phân tích kết cấu [27]

- Về một số yếu tố ảnh hưởng khác

Ảnh hưởng của ăn mòn có thể được đánh giá thông qua số liệu thống kê về chiều dày ăn mòn theo thời gian Việc bổ sung thông tin này vào giá trị đường kính ngoài của các phần tử kết cấu giúp đánh giá khả năng chịu tải vượt mức thiết kế mà vẫn duy trì tính tổng quát của phương pháp luận trong luận án.

Hà bám có ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc theo thời gian, với sự thay đổi phức tạp về chiều dày Để kiểm soát sự gia tăng chiều dày hà bám, có thể áp dụng nhiều biện pháp khác nhau Để giảm thiểu các yếu tố ngẫu nhiên, luận án giả thiết rằng trong quá trình đánh giá kết cấu, chiều dày hà bám sẽ được xác định dựa trên số liệu thiết kế.

+ Luận án giả thiết điều kiện địa chất khu vực không thay đổi tính chất cơ lý trong thời gian kéo dài khai thác.

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

Mở đầu

Theo các tiêu chuẩn hiện hành, kết cấu công trình biển cố định bằng thép được thiết kế dựa trên các trạng thái giới hạn, đảm bảo vật liệu hoạt động trong miền đàn hồi mà không xảy ra vết nứt do mỏi trong suốt tuổi thọ thiết kế Tuy nhiên, khi kết cấu chịu tải vượt mức thiết kế về cả độ lớn và tần suất, nó sẽ hoạt động ngoài giai đoạn đàn hồi, có nguy cơ xuất hiện vết nứt do mỏi Chương 2 tập trung tổng kết cơ sở lý thuyết phân tích kết cấu công trình biển cố định bằng thép dưới tải trọng vượt mức thiết kế, nhằm nghiên cứu cơ chế phá hủy của các kết cấu giàn điển hình tại khu vực biển Việt Nam Nội dung của chương 2 sẽ là cơ sở cho việc xây dựng phương pháp đánh giá kết cấu trong chương 3.

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

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

Phân tích cơ chế phá hủy của kết cấu công trình biển cố định bằng thép dưới tác động của tải trọng môi trường là cần thiết để xác định khả năng chịu tải vượt mức thiết kế Việc này giúp giới hạn phạm vi đánh giá và nâng cao độ an toàn cho các công trình.

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

Khi kéo dài thời gian khai thác, kết cấu công trình biển có thể phải đối diện với một số vấn đề cơ bản sau đây:

Kết cấu công trình bị suy giảm độ bền do mỏi từ tác động dài hạn của sóng biển trong thời gian khai thác Khi thời gian khai thác vượt quá tuổi thọ thiết kế, vết nứt do mỏi tiếp tục phát triển, làm giảm tiết diện chịu lực và có thể khiến kết cấu không còn khả năng chịu tải theo điều kiện thiết kế ban đầu Để đánh giá ảnh hưởng này, cần kết hợp kết quả đo đạc định kỳ với phân tích dự báo mức độ lan truyền vết nứt tại các điểm nóng trong kết cấu hàng năm Các vết nứt sẽ được mô hình hóa và cập nhật vào sơ đồ tính toán để đánh giá lại kết cấu theo từng năm, với phương pháp mô hình hóa được trình bày trong mục 2.3.

Ăn mòn do môi trường biển làm giảm tiết diện các phần tử kết cấu, dẫn đến suy giảm khả năng chịu lực Số liệu về chiều dày ăn mòn được thu thập qua các giai đoạn khảo sát định kỳ và được phân tích thống kê để dự báo trong quá trình khai thác kéo dài Vì chiều dày ăn mòn không đồng đều và không đối xứng, nó được mô hình hóa tương tự như các vết nứt do mỏi.

Kết cấu có thể bị suy giảm khả năng chịu lực do va đập với phương tiện nổi, vật rơi, hoạt động của con người, hoặc nguyên nhân cháy nổ trong giai đoạn khai thác Những tác động này đã được tính toán theo các tiêu chuẩn hiện hành trong giai đoạn thiết kế để đảm bảo khả năng sửa chữa sau sự cố Một số ảnh hưởng bao gồm chuyển vị cưỡng bức, thay đổi hình dạng hình học và biến đổi tiết diện phần tử kết cấu, dẫn đến tình trạng làm việc vượt mức thiết kế khi kéo dài thời gian khai thác Các thay đổi này được đo đạc trong quá trình khảo sát và mô hình hóa.

+ Các chuyển vị cưỡng bức được gán tại các vị trí tương ứng;

+ Sơ đồ hình học kết cấu và các vị trí sửa chữa, gia cường được cập nhật theo đúng hiện trạng;

+ Sự thay đổi hình dạng tiết diện kết cấu được mô tả như một độ bẹp tương đương theo tiêu chuẩn NORSOK N004, được trình bày trong mục 2.3

Sự phát triển của hà bám ngoài thời gian khai thác thiết kế gây gia tăng tải trọng sóng và dòng chảy lên công trình Chiều dày hà bám trên các phần tử kết cấu thay đổi phức tạp, tăng giảm không đồng đều theo năm, như số liệu khảo sát tại mỏ Bạch Hổ cho thấy Để kiểm soát chiều dày hà bám, có thể thực hiện cạo hà định kỳ hoặc lắp đặt thiết bị ngăn cản hà bám “Marine Growth Preventer” để giảm thiểu khả năng bám vào kết cấu.

Khi khai thác kết cấu trong thời gian dài, khả năng gặp phải các cơn bão lớn vượt mức thiết kế tăng lên, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu Do không thể dự đoán chính xác trạng thái biển trong thời gian dài, luận án đề xuất xem xét kết cấu chịu nhiều trạng thái biển khác nhau, từ nhỏ đến lớn Mỗi trường hợp sẽ được phân tích đồng thời khả năng chịu tải vượt mức thiết kế và xác suất xuất hiện của trạng thái biển tương ứng, từ đó đánh giá rủi ro và xác định thời gian khai thác chấp nhận được.

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

Phương pháp phân tích phi tuyến cho kết cấu công trình biển cố định bằng thép đã được mô tả chi tiết trong các tài liệu [59] và [62] Mục này sẽ tóm tắt một số vấn đề lý thuyết quan trọng có liên quan trực tiếp đến nội dung của luận án.

2.3.1.1 Xây dựng ma trận độ cứng đàn hồi phi tuyến của phần tử kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn

Xét một phần tử kết cấu thanh trong trạng thái làm việc như minh họa ở hình 2.1

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

Ký hiệu u, v, w là các véc tơ chuyển vị nút của một điểm bất kỳ trên thanh tương ứng chuyển vị thẳng và góc xoay theo phương x, y, z

Khi phân tích kết cấu làm việc trong trạng thái phi tuyến, hai vấn đề quan trọng cần được xem xét là biến dạng lớn và mối quan hệ giữa biến dạng dọc trục (εxx) theo công thức Green Đối với kết cấu thanh, khi bỏ qua các thành phần bậc cao, biến dạng tại các điểm trên thanh có thể được biểu diễn theo công thức [59].

(2.1) Nếu coi biến dạng dọc trục là bé, công thức (2.1) có thể viết lại như sau:

Vấn đề thứ hai liên quan đến sự khác biệt trong tính chất làm việc của các phần tử kết cấu chịu kéo và nén Để phản ánh điều này, phương trình đường đàn hồi cho các phần tử được thiết lập tương ứng.

+ Đối với thanh chịu kéo: w w

+ Đối với thanh chịu nén:

Trong đó, các hệ số của phương trình được xác định theo các điều kiện biên chuyển vị tại các đầu nút thanh Chi tiết được trình bày trong [59]

Ký hiệu  u (x),  v (x),  w (x) là véc tơ các hàm hình dáng của phần tử kết cấu mô tả trong hình 2.1, trường chuyển vị của thanh được biểu diễn: w

(2.7) là véc tơ chuyển vị thẳng và quay quanh các trục tương ứng của hai đầu thanh

Các véc tơ hàm hình dáng  u (x),  v (x),  w (x) được xây dựng dựa trên phương trình đường đàn hồi của phần tử, xem xét tác động của uốn dọc và góc xoay lớn.

Dựa trên việc khai triển biến phân của số gia thế năng biến dạng tổng cộng, bao gồm cả biến dạng lớn theo công thức (2.2), ma trận độ cứng đàn hồi phi tuyến của phần tử thanh được biểu diễn như sau: uw w w w w uu uv e vu vv v u v w k k k.

Trong đó, các ma trận con nằm trên đường chéo chính, có kể đến góc xoay lớn:

N v k EI dx EA dx x x EI x x x x x

T T w T l l w y y k EI N dx EA dx x x EI x x x x x

Các ma trậncon liên hệ giữa các chuyển vị dọc trục và chuyển vị ngang, tuyến tính với chuyển vị xoay

Ma trận con liên hệ giữa các chuyển vị theo hai phương ngang tương ứng wv w w v

2.3.1.2 Xây dựng ma trận độ cứng đàn dẻo của kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn

Đường cong quan hệ ứng suất biến dạng của vật liệu thép được chia thành ba miền: miền đàn hồi, miền chảy dẻo, và miền tái bền và phá hủy Mặc dù hình dạng của đường cong này phức tạp, trong tính toán, nó thường được biểu diễn xấp xỉ qua một số mô hình như mô hình đàn dẻo lý tưởng của Prantdl (1925) và Reuss (1930), mô hình nửa tuyến tính, cùng với mô hình lũy thừa của Ramberg-Osgood hay Holomon, Ludwik Luận án giới hạn tập trung vào vật liệu thép theo mô hình đàn dẻo lý tưởng, với đường cong ứng suất – biến dạng được thể hiện theo công thức (2.16) và minh họa trong hình 2.12.

(2.16) Trong đó  y là giới hạn chảy của thép,  Y là biến dạng tương ứng với giới hạn chảy

Hình 2.2 Quan hệ ứng suất biến dạng theo mô hình vật liệu đàn dẻo lý tưởng

Khi phần tử kết cấu chịu quá tải, vật liệu trên mặt cắt sẽ chảy dẻo từ ngoài vào trong, dẫn đến sự hình thành các khớp dẻo lý tưởng Các khớp dẻo có thể được đặt tại hai đầu hoặc giữa phần tử thanh, và khi khớp dẻo nằm giữa, phần tử sẽ được chia thành hai phần tử nhỏ với nút tự động thêm vào để tạo trạng thái cân bằng tĩnh học trước khi đưa vào ma trận độ cứng tổng thể Điều kiện chảy dẻo của mặt cắt có thể được phân tích qua nhiều lý thuyết khác nhau, trong đó luận án dựa trên lý thuyết dòng chảy dẻo, mô tả điều kiện chảy dẻo qua mối quan hệ giữa ứng suất tác dụng và ứng suất giới hạn chảy dẻo, được thể hiện bằng phương trình tổng quát mặt chảy.

P yP zP xP yP zP

N, Qy, Qz, Mx, My, Mz, NP, QyP, QzP, MxP, MyP, MzP là các thành phần của nội lực và nội lực giới hạn chảy dẻo toàn phần trong tiết diện Khi phân tích điều kiện chảy dẻo cho hệ thanh, ta bỏ qua ảnh hưởng của lực cắt tại hai đầu thanh và mô men xoắn quanh trục Các thành phần lực dọc và mô men giới hạn dẻo được xác định theo công thức cụ thể.

 Y là giới hạn chảy; A P là diện tích tiết diện dẻo; W yP và W zP là các thành phần mô men kháng uốn dẻo quanh trục y và trục z

Trong lĩnh vực cơ học vật liệu, giá trị 0 <  < 1 thể hiện trạng thái tiết diện chưa đạt đến mức chảy dẻo toàn phần Khi  = 0, điều này cho thấy mọi véc tơ lực đều tương ứng với trạng thái chảy dẻo toàn phần Ngược lại, giá trị  = -1 chỉ ra rằng tiết diện không chịu ứng suất.

Trong trường hợp tiết diện thanh ống, với D là đường kính ngoài và d là đường kính trong, điều kiện chảy dẻo toàn phần được mô tả thông qua mô hình vật liệu đàn dẻo lý tưởng.

Hình 2.3 minh họa mặt chảy hai chiều trên một mặt cắt tiết diện thanh Đối với nút ống, điều kiện chảy dẻo toàn phần đã được phân tích chi tiết trong tài liệu [59], và theo tiêu chuẩn API, điều này được thể hiện qua phương trình cụ thể.

Trong bài viết, các thành phần lực dọc và mô men uốn tác động lên nút ống được ký hiệu lần lượt là P D, M D(ipb) và M D(opb), trong đó P u, M u(ipb) và M u(opb) đại diện cho độ bền cực hạn của nút ống dưới tác động của lực dọc và các mô men uốn Hệ số cường độ liên kết, ký hiệu là , phụ thuộc vào loại nút ống.

- Tương ứng một bước gia tăng tải trọng, có một khớp dẻo xuất hiện trên đầu thanh nào đó, ta có:

 G T  S 0 (2.22) Trong đó G là véc tơ gradient của mặt chảy:

(2.23) i là chỉ số đầu nút của thanh

+Slà số gia nội lực của phần tử thanh tại bước đang xét

Dựa trên quy tắc dòng chảy dẻo, các chuyển vị dẻo Vp được xác định theo hướng vuông góc với mặt chảy Γ, với độ lớn đặc trưng bởi hệ số vô hướng Δλ, thông qua phương trình sau:

- Cân bằng tĩnh kết cấu tại bước gia tăng tải trọng trên, quan hệ giữa số gia nội lực

 và số gia chuyển vị đàn hồi V e của phần tử được biểu diễn:

Với số gia chuyển vị tổng thể V  V e  V p và K e là ma trận độ cứng đàn hồi phi tuyến của phần tử kết cấu được xác định theo (2.9)

G T  S G K T e  V G K G T e   0 (2.26) Xác định được:   (G KG T ) (  1 G K V T  ) (2.27) Thay (2.27) vào (2.25), phương trình cân bằng được viết lại:

K P là ma trận độ cứng đàn dẻo của kết cấu [59, 62];

2.3.1.3 Phân tích tĩnh phi tuyến kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn [62] a) Phương pháp phân tích kết cấu

Mục tiêu của nghiên cứu là đánh giá độ bền của kết cấu dưới tải trọng môi trường vượt mức thiết kế, khi phần tử kết cấu chính đầu tiên xảy ra hiện tượng chảy dẻo toàn phần Luận án giới hạn lựa chọn phương pháp phân tích kết cấu theo mô hình tĩnh phi tuyến, như đã trình bày trong mục 1.6, với hệ số ảnh hưởng động (DAF) của tải trọng sóng được tính toán tương tự như đối với kết cấu tuyến tính Phương pháp này thực hiện bằng cách tăng dần tải trọng theo từng bước cho đến khi đạt đến trạng thái cần xem xét, và tại mỗi bước, phản ứng của kết cấu được xác định thông qua phương trình cân bằng tĩnh học.

Số gia véc tơ tải trọng F bao gồm lực nút và lực phân bố trên thanh, được gia tăng theo từng bước với hệ số từ 0 đến 1 tùy theo trường hợp tải trọng Tải trọng này thay đổi tương ứng với sự thay đổi trạng thái của kết cấu Bên cạnh đó, cần thực hiện chuyển đổi hệ tọa độ nút để đảm bảo tính chính xác trong phân tích.

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

Khi chịu tải trọng vượt mức thiết kế, kết cấu sẽ hoạt động ở trạng thái phi tuyến và nội lực trên các phần tử sẽ được phân phối lại Để đánh giá khả năng chịu tải của kết cấu, cần dựa vào nghiên cứu phân tích cơ chế phá hủy Tác giả đã thu thập số liệu và phân tích một số kết cấu công trình biển cố định bằng thép tại khu vực biển Việt Nam, từ vùng nước nông đến sâu hơn 100m, bao gồm các dạng kết cấu 3 chân, 4 chân và hệ cọc váy Độ bền cực hạn và trạng thái phá hủy của kết cấu được phân tích khi gia tăng chiều cao sóng theo phương pháp Push-over, sử dụng phần mềm USFOS, phù hợp với lý thuyết và tiêu chuẩn API Kết quả phân tích được trình bày trong bảng 2.3.

Bảng 2.3 Kết quả phân tích phá hủy kết cấu một số giàn đang khai thác trong vùng biển Việt Nam Tên giàn Độ sâu nước (m)

Chiều cao sóng thiết kế (m)

Dạng phá hủy Điểm phá hủy Chiều cao sóng gây phá hủy (m) Thái

29,2 11,76 1260 - Phá hủy cọc khoang thứ nhất khối chân đế do mất ổn định;

50 14,5 2200 - Phá hủy ống chính khoang thứ nhất khối chân đế do chảy dẻo

Tên giàn Độ sâu nước (m)

Chiều cao sóng thiết kế (m)

Dạng phá hủy Điểm phá hủy Chiều cao sóng gây phá hủy (m) JVPC-

52,5 15,80 998 - Phá hủy cọc khoang cuối cùng do mất ổn định và chảy dẻo

68,1 17,7 1380 - Phá hủy cọc khoang thứ 2 do mất ổn định và chảy dẻo

Tên giàn Độ sâu nước (m)

Chiều cao sóng thiết kế (m)

Dạng phá hủy Điểm phá hủy Chiều cao sóng gây phá hủy (m) Đại

111,42 16 3021,8 - Phá hủy ống chính khoang thứ 3 do chảy dẻo

41,1 14,7 2100 - Phá hủy cọc khoang thứ nhất khối chân đế do mất ổn định;

Kết quả phân tích cho thấy:

- Các kết cấu bị phá hủy khi xuất hiện 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

Trong trường hợp kết cấu giàn được thiết kế đúng tiêu chuẩn, chiều cao sóng gây phá hủy giàn thường lớn hơn ít nhất 1,3 lần chiều cao sóng thiết kế, tương thích với quy định của tiêu chuẩn API về hệ số cường độ dự trữ tối thiểu là 1,6 lần Hệ số cường độ dự trữ (Reserve Strength Ratio) được xác định là tỷ số giữa tổng lực ngang gây đổ giàn và tổng lực ngang do điều kiện môi trường thiết kế (chu kỳ lặp 100 năm) Tuy nhiên, phân tích cho thấy nhiều kết cấu đã mất khả năng khai thác hoặc không thể được gia cường, sửa chữa để hoạt động trong điều kiện môi trường vượt quá giới hạn an toàn.

Dựa trên nhận xét, mục tiêu đánh giá kết cấu nhằm khai thác an toàn, khả năng chịu tải vượt mức thiết kế chỉ được xem xét khi: (1) Một tiết diện của phần tử kết cấu chính đầu tiên đạt trạng thái chảy dẻo toàn phần hoặc (2) chiều sâu của các vết nứt do mỏi bằng chiều dày ống vẫn nằm trong giới hạn chấp nhận được.

Khi một trong hai điều kiện này xảy ra, kết cấu vẫn giữ nguyên và vẫn có khả năng khai thác thêm Vấn đề này có thể được phát triển thêm trong các nghiên cứu sau.

Kết luận chương 2

Chương 2 đã trình bày cơ sở lý thuyết về phân tích kết cấu khi chịu tải vượt mức thiết kế, nhằm xây dựng phương pháp đánh giá kết cấu một cách hiệu quả.

- Phân tích phi tuyến kết cấu công trình biển cố định bằng thép:

Phân tích trạng thái làm việc tổng thể của kết cấu là rất quan trọng khi chịu tải trọng môi trường vượt quá mức thiết kế, đặc biệt trong thời gian gia hạn khai thác Điều này giúp đánh giá khả năng chịu đựng và độ bền của công trình, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình sử dụng.

Xác định nội lực kết cấu thông qua phân tích tĩnh phi tuyến là cần thiết để đánh giá điều kiện chảy dẻo toàn phần của các phần tử kết cấu chính Điều này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá an toàn kết cấu, đặc biệt trong giai đoạn gia hạn khai thác.

- Phân tích lan truyền chậm vết nứt do mỏi tại các điểm nóng của nút kết cấu theo luật của Paris để:

+ Xác định thời gian gia hạn khai thác tối đa của kết cấu theo điều kiện phá hủy mỏi giai đoạn 2 của các phần tử kết cấu chính;

Xác định mức độ thu hẹp mặt cắt tiết diện là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của từng phần tử trong kết cấu Việc này cũng góp phần gây ra sự phân phối lại nội lực giữa các phần tử khi thực hiện phân tích phi tuyến.

Bài viết phân tích cơ chế phá hủy của các kết cấu công trình biển cố định bằng thép tại một số mỏ ngoài khơi Việt Nam, khi chịu tác động của sóng vượt mức thiết kế thông qua phần mềm chuyên dụng Kết quả phân tích đã giúp xác định khả năng chịu tải vượt mức thiết kế của các kết cấu, từ đó xây dựng phương pháp đánh giá trong chương 3 của luận án.

PHƯƠNG PHÁP LUẬN ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI VƯỢT MỨC THIẾT KẾ CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP

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 trong luận án

Khả năng chịu tải của kết cấu phụ thuộc vào độ bền tổng thể, trong đó ảnh hưởng của vết nứt do mỏi rất quan trọng Nhiều đặc tính cơ lý của vật liệu, hình học của kết cấu và các yếu tố khác trong quá trình khai thác cũng đóng vai trò quan trọng Như đã đề cập trong mục 1.6, luận án chỉ xem xét tính chất ngẫu nhiên của các yếu tố chính như tải trọng sóng tác động lên kết cấu, mô đun đàn hồi, giới hạn chảy của vật liệu, và đặc trưng tiết diện của các phần tử kết cấu chính như ống chính và cọc.

Tải trọng sóng tác động lên kết cấu khối chân đế của công trình biển cố định bằng thép được xác định thông qua công thức Morison Profile sóng được xem như một quá trình ngẫu nhiên dừng, ergodic và có trung bình không, được mô tả bởi hàm mật độ phổ hoặc các biểu diễn theo thời gian của trạng thái biển đang xem xét.

Trong thiết kế kết cấu khối chân đế, việc lựa chọn loại vật liệu phải tuân theo tiêu chuẩn, phụ thuộc vào tầm quan trọng của phần tử kết cấu Luận án này xem xét các thông số mô đun đàn hồi và giới hạn chảy của vật liệu như những đại lượng ngẫu nhiên, chịu ảnh hưởng bởi sai số chế tạo mà không bị tác động bởi thời gian khai thác Các đặc trưng xác suất thông thường được trình bày trong bảng 3.1 và 3.2.

Bảng 3.1 Sai số cường độ của thép trong Công nghiệp dầu khí theo tiêu chuẩn ISO 13623:2009 Đại lượng Phân phối xác suất ( ) y y F

Giới hạn chảy Phân phối chuẩn 2 – 6% 1 – 4

Giới hạn bền Phân phối chuẩn 1,5 – 6% 1– 10 Bảng 3.2 Đặc trưng xác suất mô đun đàn hồi của thép

Mô đun đàn hồi Phân phối xác suất  E Var E ( )

Thép Phân phối chuẩn 2,1x10 8 KN/m 2 5%

Đường kính và chiều dày của các phần tử ống thường gặp sai số trong quá trình chế tạo và lắp dựng, đồng thời bị ảnh hưởng bởi ăn mòn do môi trường biển Chiều dày ăn mòn do ô-xi hóa trên bề mặt nước được xác định theo tuổi thọ thiết kế, và trong trường hợp gia hạn, có thể ngoại suy theo năm dựa trên giới hạn ăn mòn cho phép Đối với phần cấu trúc ngập dưới nước, việc chống ăn mòn được thực hiện bằng các a-nốt hy sinh theo nguyên lý điện hóa, do đó trong thiết kế, chúng được coi là không bị ăn mòn Tuy nhiên, khảo sát thực tế cho thấy ăn mòn xảy ra phức tạp và không đồng đều trên các phần tử ống, với vị trí của các a-nốt hy sinh là một yếu tố ảnh hưởng Khi có dữ liệu khảo sát cụ thể, có thể xác định các đặc trưng xác suất ăn mòn theo năm và xem xét chúng như đại lượng ngẫu nhiên trong đánh giá cấu trúc giàn.

Sai số ngẫu nhiên trong quá trình chế tạo ống phụ thuộc vào loại ống, đường kính ngoài và độ dày của ống Giới hạn sai số chế tạo ống theo tiêu chuẩn API 5L được quy định rõ trong bảng 3.3 và 3.4.

Bảng 3.3 Sai số đường kính chế tạo ống thép Đường kính ống Sai số (mm)

(mm) Ống đúc Ống hàn

Từ 610 đến 1422 ± 0,01D ± 0,005D, lớn nhất là 4

Bảng 3.4 Sai số bề dày chế tạo ống thép

Chiều dày ống Sai số (mm)

≥25 Lớn nhất (+3,7 và +0,1t) /(-3 và -0,1t) Ống hàn

Khi cho phép kết cấu chịu tác động vượt mức thiết kế trong thời gian gia hạn, phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn thiết kế không còn phù hợp Do đó, cần có quan điểm và tiêu chí đánh giá mới Luận án đề xuất một số nguyên tắc để đánh giá khả năng chịu tải vượt mức thiết kế của kết cấu công trình biển cố định bằng thép, nhằm làm căn cứ cho việc gia hạn khai thác.

- Chỉ xem xét đánh giá kết cấu trong thời gian gia hạn sau khi hết tuổi thọ mỏi giai đoạn 1;

Không xem xét trường hợp tải trọng vượt mức thiết kế gây ra thay đổi trạng thái kết cấu ở năm trước ảnh hưởng đến phân tích mỏi trong những năm tiếp theo Kết cấu được đánh giá vào cuối mỗi năm gia hạn, với các kịch bản xuất hiện con sóng vượt mức thiết kế Điều này có nghĩa là sự kiện mỏi sẽ xảy ra trước và không bị ảnh hưởng bởi sự kiện bền.

- Không xem xét ảnh hưởng phá hủy tích lũy của nhiều con sóng vượt mức thiết kế tác động lần lượt lên kết cấu;

- Do tính chất cục bộ nên có thể giả thiết sự phát triển các vết nứt là không ảnh hưởng lẫn nhau khi phân tích mỏi;

Các vết nứt do mỏi xuất hiện theo từng năm có thể ảnh hưởng đến độ bền tổng thể của kết cấu Vì tính chất phức tạp của vấn đề, việc đưa ảnh hưởng ngẫu nhiên của vết nứt vào phân tích hàm mặt chảy tại các mặt cắt ống để đánh giá khả năng chảy dẻo toàn phần là khó khăn Do đó, luận án giả thiết rằng nếu tại năm thứ i, độ tin cậy về mỏi đạt yêu cầu hoặc cao hơn, thì giá trị độ sâu vết nứt ai sẽ được xác định với một giá trị an toàn.

Khi có số liệu khảo sát và đo đạc thực tế, các vết nứt sẽ được phân tích và xử lý thống kê để tích hợp vào sơ đồ tính toán.

Giá trị tối đa của con sóng vượt mức thiết kế mà kết cấu có thể chịu được xác định dựa trên điều kiện chảy dẻo toàn phần của một phần tử kết cấu chính Tuy nhiên, giới hạn độ lớn của con sóng này sẽ giảm dần theo từng năm do kết cấu bị suy giảm độ bền tổng thể, ảnh hưởng bởi các vết nứt do mỏi.

- Thời gian kéo dài khai thác cho phép được xem xét tương ứng với hai trường hợp như sau:

Kết cấu trong trường hợp đầu tiên vẫn chưa bị phá hủy do mỏi, nhưng chỉ có khả năng chịu được sóng với chu kỳ lặp T năm, trong đó chu kỳ tối thiểu là 100 năm theo điều kiện thiết kế, và đi kèm với một xác suất rủi ro cho phép, tương ứng với thời gian giới hạn khai thác trung bình.

Trong trường hợp thứ hai, khi một tiết diện phần tử kết cấu chính đầu tiên xuất hiện vết nứt do mỏi với độ sâu bằng chiều dày ống, điều này tương ứng với giới hạn kéo dài khai thác tm Lúc này, khả năng gia hạn khai thác sẽ được quyết định bởi điều kiện phá hủy mỏi.

Thời gian khai thác kéo dài sau khi hết tuổi thọ thiết kế được giới hạn bởi giá trị nhỏ nhất của hai mốc thời gian tb và tm, đồng thời đảm bảo xác suất rủi ro chấp nhận.

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

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

Để đánh giá mức độ rủi ro của các công trình khai thác trên biển khi đối diện với điều kiện môi trường vượt mức thiết kế, cần nghiên cứu mối quan hệ giữa độ lớn điều kiện môi trường và chu kỳ lặp thông qua phân tích số liệu thực đo Dựa vào đồ thị này, có thể dự báo xác suất xuất hiện của từng trạng thái biển mà kết cấu sẽ gặp phải, như ví dụ về dự báo vận tốc gió trung bình 1 phút và chiều cao sóng tại vùng biển Thái Lan.

Hình 3.1 Đường dự báo vận tốc gió trung bình 1 phút và chiều cao sóng bất thường

-Vùng biển Thái Lan (Dạng Lô-ga-rít)

Dựa trên số liệu môi trường biển từ các vùng mỏ điển hình ở khu vực Sông Hồng và Cửu Long, tác giả đã thiết lập đồ thị quan hệ giữa chiều cao sóng vượt mức thiết kế và chu kỳ lặp Điều này nhằm đánh giá rủi ro cho các kết cấu công trình biển cố định bằng thép tại Việt Nam, phục vụ cho việc gia hạn khai thác Một trong những nội dung quan trọng là mối quan hệ giữa thời gian khai thác và chu kỳ lặp của điều kiện môi trường.

Để đảm bảo tính kinh tế trong thiết kế, số liệu môi trường cần được lựa chọn dựa trên thời gian khai thác công trình và xác suất rủi ro chấp nhận được Theo Borgman (1963), xác suất xảy ra điều kiện vượt mức E cT tương ứng với chu kỳ lặp T trong thời gian khai thác t được xác định rõ ràng.

P cũng được gọi là xác suất rủi ro chấp nhận

Công thức (3.1) cũng đã được đưa vào sử dụng trong tiêu chuẩn BS 6349 phần 7

[17], ứng dụng trong tính toán thiết kế các công trình ven biển chịu tải trọng môi trường biển

- Theo (3.1), xác suất xuất hiện E cT với chu kỳ lặp T theo từng năm được xác định:

 T (3.2) b) Xây dựng quan hệ giữa chiều cao sóng vượt mức thiết kế và xác suất xuất hiện trong điều kiện biển Việt Nam

Chiều cao sóng cực đại tại các vùng biển trên thế giới tuân theo nhiều luật phân phối xác suất khác nhau, phổ biến nhất là phân phối Rayleigh, Weibull ngắn hạn và Fisher-Tippet Nghiên cứu và số liệu khảo sát từ nhiều vùng mỏ ở Việt Nam cho thấy giá trị cực đại của chiều cao sóng lớn nhất chủ yếu tuân theo luật phân phối xác suất Fisher-Tippet loại 1.

Trong đó các đặc trưng xác suất  1 ,  2 được xác định từ kết quả thống kê số liệu đo đạc

Theo công thức (3.2), xác suất xuất hiện con sóng lớn nhất chu kỳ lặp T năm, H max T , trong từng năm là:

Thay (3.3) vào (3.4) ta có: max 1

Từ đó xác định chiều cao sóng cực đại H max T với chu kỳ lặp T năm: max 1 2 ln( ln(1 1))

Hình 3.2 minh họa sự gia tăng chiều cao sóng theo chu kỳ lặp, trong đó các hệ số  1 và  2 được xác định dựa trên số liệu H max tương ứng với chu kỳ lặp T 1.

T 2 đã cho theo số liệu thiết kế theo công thức như sau:

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 trong khu vực biển Việt Nam

Theo số liệu chu kỳ lặp 10 năm và 100 năm từ các báo cáo khảo sát khí tượng hải văn tại các vùng mỏ tiêu biểu ở biển Việt Nam, luận án đã xây dựng các đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa chiều cao sóng và xác suất xuất hiện tương ứng Các đồ thị này cho thấy hướng có chiều cao sóng lớn nhất, cung cấp thông tin quan trọng cho việc nghiên cứu và quản lý tài nguyên biển.

 Mỏ Bạch Hổ - Bể Cửu Long

Bảng 3.5 Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Bạch Hổ – Hướng Đông Bắc

Xác suất xuất hiện chiều cao sóng lớn hơn Hmax trong 1 năm

Hình 3.3 Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Bạch Hổ – Hướng Đông Bắc

 Mỏ Sư Tử Trắng – Bể Cửu Long Bảng 3.6 Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Sư Tử Trắng – Hướng Đông

Xác suất xuất hiện chiều cao sóng lớn 100% 10% 1% 0,5% 0,33% 0,20% 0,1%

Hình 3.4 Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Sư Tử Trắng – Hướng Đông

 Mỏ Thăng Long – Đông Đô – Bể Cửu Long

Bảng 3.7 Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ TL-DD – Hướng Đông Bắc

Xác suất xuất hiện chiều cao sóng lớn hơn Hmax trong 1 năm

Hình 3.5 Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ TLDD- Hướng Đông Bắc

 Mỏ Thiên Ưng – Bể Nam Côn Sơn

Bảng 3.8 Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Thiên Ưng – Hướng lớn nhất

Xác suất xuất hiện chiều cao sóng lớn hơn Hmax trong 1 năm

Hình 3.6 Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Thiên Ưng- Hướng lớn nhất

 Mỏ Thái Bình thuộc bể Sông Hồng

Bảng 3.9 Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Thái Bình – Hướng lớn nhất

Xác suất xuất hiện chiều cao sóng lớn hơn H max trong 1 năm

Hình 3.7 Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Thái Bình- Hướng lớn nhất

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

Khả năng chịu tải vượt mức thiết kế của kết cấu phụ thuộc vào phân tích độ tin cậy về mỏi trong điều kiện mở rộng vết nứt và độ tin cậy về bền trong điều kiện chảy dẻo toàn phần của các tiết diện phần tử kết cấu chính Chi tiết về vấn đề này sẽ được trình bày trong các mục tiếp theo.

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

Sắp xếp các trạng thái biển theo chiều cao sóng đáng kể từ cao đến thấp, đảm bảo rằng tất cả các hướng H đều được xem xét, với H tối thiểu tương ứng với kịch bản tác động nguy hiểm nhất.

Với từng trạng thái biển trong năm thứ i xảy ra trong khoảng thời gian t, thường là 3h hoặc 6h, ứng suất tại điểm nóng được tính theo công thức cụ thể.

 i H sj SCF f ax axi H sj SCF f ipb ipbi H sj SCF opb f opbi H sj (j=1÷k) (3.8)

Trong đó, f axi H sj, f ipbi H sj, và f opbi H sj đại diện cho ứng suất danh nghĩa tại điểm xét, được xác định bởi các thành phần lực dọc và mô men uốn trong và ngoài mặt phẳng, tương ứng với trạng thái biển thứ j.

H sj gây ra, SCF ax , SCF ipb , SCF opb là các hệ số tập trung ứng suất tương ứng được tính theo các tiêu chuẩn hiện hành [12]

Việc xác định số gia ứng suất và số chu trình tương ứng tại điểm nóng là một quá trình ngẫu nhiên, được thực hiện thông qua phương pháp đếm giọt mưa Các bước thực hiện phương pháp này được tóm tắt như sau [3, 7].

Hình 3.8 Đếm chu trình ứng suất theo phương pháp đếm giọt mưa + Xoay (t) một góc 90 độ theo chiều kim đồng hồ;

Dòng mưa chảy xuôi theo mái nhà, bắt đầu từ phía trái của một đỉnh (cực đại âm hoặc dương) hoặc từ phía phải của một đáy (cực tiểu âm hoặc dương).

+ Dòng mưa được coi là hoàn thành một chu trình khi gặp dòng mưa khác từ trên chảy xuống tạo thành quĩ đạo kín hay dòng mưa đỉnh lõm;

Dòng mưa hoàn thành nửa chu trình khi bắt đầu từ một đỉnh và chảy xuôi, dừng lại khi gặp một đỉnh có giá trị lớn hơn, tạo thành quỹ đạo hở hay dòng mưa đỉnh lồi.

Theo Baltrop, quá trình lan truyền vết nứt do mỏi giai đoạn 2 diễn ra chậm, cho phép thay thế tập hợp các số gia ứng suất hiệu quả trong trạng thái biển thứ j bằng tổng số chu trình N wji.

 bởi một số gia ứng suất  eqji gây ra một vết nứt tương đương theo công thức sau:

Hệ số đặc trưng phá hủy m phụ thuộc vào vật liệu, trong khi các số gia ứng suất  j i ' tương ứng với nhóm sóng hiệu quả thứ j’ có số chu trình N wj’i (j’=1k’) trong trạng thái biển j Điều này dẫn đến số gia hệ số cường độ ứng suất  K lớn hơn số gia ứng suất vượt ngưỡng  K th tại thời điểm vết nứt có kích thước a j-1i.

Hình 3.9 Miền các nhóm số gia ứng suất có khả năng gây lan truyền vết nứt

Mỗi trạng thái biển tương ứng với các ứng suất tại điểm nóng được tính theo công thức (3.8), mặc dù là một quá trình ngẫu nhiên dừng và ergodic, nhưng do bị giới hạn bởi điều kiện vượt ngưỡng trong công thức (3.10), dẫn đến các số gia ứng suất hiệu quả tương đương khác nhau cho các thể hiện ứng suất khác nhau, cùng với sự thay đổi độ lớn của vết nứt Do đó, cần xác định các đặc trưng xác suất của đại lượng ngẫu nhiên Δσ eqji theo nhiều thể hiện Đối với một trạng thái biển thứ j bất kỳ, phương pháp Monte Carlo được sử dụng để xác định các thể hiện ứng suất, với số lượng tương ứng với số lần xảy ra trong số liệu thống kê, thông qua phần mềm chuyên dụng SACS 5.3 Sử dụng công thức (3.10) để xác định các số gia ứng suất hiệu quả, mỗi thể hiện sẽ cho ra np số gia ứng suất tương đương theo công thức (3.9) và xác định kỳ vọng, phương sai của Δσ eqji.

1 p p eqji eqji n n eqpji eqpji p p eqji p p n Var n

- Tương ứng với một trạng thái biển j có chiều cao sóng đáng kể H sj và số chu trình N wji trong năm thứ i, vết nứt được mở rộng một đoạn:

 a ji  C    eqji ( Y a j  1 i , ) t d  a j  1 i   m N wji (3.12) Với Y(a j-1i , t d ) là hàm hình học được xác định theo công thức (2.38) trong chương 2:

Xác định được chiều sâu vết nứt a ji sau thời điểm tác động của con sóng H sj năm thứ i theo công thức: a ji  a j  1 i   a ji (3.14)

- Từ công thức (3.12) và (3.14), kỳ vọng của a ji tại thời điểm t j được xác định:

Theo khai triển xấp xỉ Taylor, phương sai của a ji tính theo công thức sau:

( ) ( ) ( ) ( ( , )) eqji j i d eqji j i d m m m m ji j i ji G a t eqji G a t j i d

Trong đó kỳ vọng và phương sai của hàm G(a i-1 ,t d ) xác định:

- Đặc trưng xác suất của kích thước vết nứt cuối năm thứ i được xác định:

  (3.21) + Phương sai: Var a ( ) i  Var a ( ki ) (3.22)

- Coi phân phối xác suất kích thước vết nứt tại từng thời điểm là các phân phối chuẩn

Hàm mật độ xác suất kích thước vết nứt a tại thời điểm năm thứ i là:

Với à ai và Var(a i ) xỏc định theo cụng thức (3.15) và (3.16)

- Độ tin cậy về điều kiện mỏi cuối năm thứ i:

- Chỉ số độ tin cậy:

- Trong trường hợp có số liệu khảo sát, các đặc trưng xác suất của vết nứt sẽ được xác định thông qua các phương pháp xử lý thống kê

3.4.2 Đánh giá độ tin cậy về độ bền của các tiết diện phần tử kết cấu chính theo điều kiện chảy dẻo toàn phần

3.4.2.1 Thiết lập mối quan hệ giữa mặt chảy toàn phần  của một tiết diện phần tử kết cấu chính và các đại lượng ngẫu nhiên

Trong luận án này, số lượng biến ngẫu nhiên được phân tích là rất lớn, điều này khiến việc áp dụng một phương pháp tổng quát để đánh giá độ bền tổng thể của kết cấu khi chịu tải vượt mức thiết kế trở nên khó khăn Do đó, mục tiêu của luận án là đánh giá kết cấu thông qua việc kiểm tra điều kiện chảy dẻo toàn phần của các tiết diện phần tử cấu trúc chính.

Luận án nghiên cứu ứng dụng phương pháp mặt phản ứng để thiết lập mối liên hệ giữa mặt chảy toàn phần của các tiết diện từng phần tử chính và các đại lượng ngẫu nhiên, sử dụng phương pháp mặt phản ứng (Response Surface Method).

Phương pháp mặt phản ứng được đề xuất bởi George E P Box và K B Wilson năm

Phương pháp được đề xuất vào năm 1951 nhằm thiết lập xấp xỉ cho hàm nhiều biến dựa trên một số giá trị thực đã biết, với sai số trong giới hạn chấp nhận Trong lĩnh vực kỹ thuật, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra cách xây dựng các mô hình mặt phản ứng phù hợp cho từng đối tượng nghiên cứu cụ thể.

Bài viết tập trung vào hai vấn đề chính: phương pháp lựa chọn hàm xấp xỉ và lựa chọn giá trị biến cho các phép thử Các mặt phản ứng cơ bản có thể được biểu diễn bằng các hàm như đa thức bậc 1, bậc 2 hay hàm mũ, nhằm đảm bảo phản ánh chính xác giá trị cần xem xét Mô hình phổ biến hiện nay dựa trên lý thuyết phân tích hồi quy với các kỹ thuật như phương pháp tổng bình phương nhỏ nhất, phương pháp Gauss – Markov, và phương pháp đánh giá khả năng cực đại Để cân nhắc tương tác giữa các biến ngẫu nhiên và giảm khối lượng tính toán, luận án chọn sử dụng mặt xấp xỉ bậc hai Để đảm bảo tỷ lệ giữa miền an toàn và miền phá hủy khi đánh giá độ tin cậy là như nhau, luận án áp dụng điều kiện tổng bình phương sai số là nhỏ nhất Thông qua việc phân tích nội lực của kết cấu trong một số lượng hữu hạn phép thử tương ứng với các đại lượng ngẫu nhiên, ta sẽ xác định được các hệ số của hàm mặt chảy xấp xỉ.

Điều kiện tổng bình phương sai số nhỏ nhất dẫn đến sự hội tụ khi số lượng phép thử tăng Để giảm số phép thử, cần lựa chọn giá trị của các biến ngẫu nhiên sao cho phản ánh được các giá trị đặc trưng nhất của hàm mặt chảy thực tế Theo phương pháp Latin Square, các biến được lựa chọn tại các giá trị trung bình, giá trị biên và các giá trị tại đó đại lượng cần xem xét đạt cực trị.

Hình 3.10 Lựa chọn giá trị của biến ngẫu nhiên theo phương pháp Latin Square a) Trường hợp 2 biến b) Trường hợp 3 biến

Các phần mềm ứng dụng trong luận án

Để áp dụng phương pháp luận đã nêu, cần sử dụng phần mềm chuyên dụng có khả năng phân tích phi tuyến kết cấu Những phần mềm này hỗ trợ lập hàm mặt chảy cho các phần tử kết cấu chính và phân tích nội lực ngẫu nhiên khi chịu tác động của trạng thái biển dài hạn, từ đó đánh giá khả năng lan truyền vết nứt do mỏi trong kết cấu.

Luận án áp dụng các phần mềm chuyên dụng đã được kiểm nghiệm, được công nhận bởi nhiều cơ quan đăng kiểm quốc tế và các công ty tư vấn thiết kế cho các dự án công trình biển.

3.5.1 Phần mềm SACS (Structural Analysis Computer System) Đây là phần mềm chuyên dụng của hãng Bentley phục vụ tính toán thiết kế công trình biển cố định bằng thép trong giai đoạn thi công và giai đoạn khai thác với phạm vi ứng dụng:

 Tính toán phân tích tĩnh học

+ Tính toán bài toán tĩnh học;

+ Tính toán tĩnh với các phần tử dạng gap;

+ Phân tích bài toán biến dạng lớn;

+ Tính toán tương tác cọc và nền đất;

 Tính toán động lực học

+ Bài toán dao động riêng;

+ Tính toán động lực học tiền định;

+ Tính toán phản ứng động tương ứng với đầu vào là phổ gió, phổ sóng, phổ động đất;

+ Phân tích phản ứng theo miền thời gian;

+ Phân tích ảnh hưởng của băng tuyết;

 Kiểm tra độ bền và phá huỷ của kết cấu

+ Kiểm tra độ bền các phần tử và nút liên kết;

+ Phân tích phá hủy đàn hồi và phá hủy dẻo kết cấu;

+ Phân tích mỏi giai đoạn 1 theo mô hình tiền định và ngẫu nhiên;

 Tính toán các bài toán chuyên ngành khác

+ Phân tích tính toán vận chuyển, đánh chìm, và lắp dựng công trình biển;

+ Phân tích bài toán cọc đơn;

+ Tính toán kết cấu BTCT thường;

+ Cơ học vật thể rắn;

+ Cơ học vật thể nổi;

+ Phân tích sóng nhiễu xạ tuyến tính;

 Mô tả phần tử hữu hạn kết cấu làm đầu vào cho các phần mềm chuyên dụng khác

+ Phân tích tập trung ứng suất tại nút;

Phân tích kết cấu dạng tấm, vỏ và khối là một quá trình quan trọng trong kỹ thuật xây dựng Đầu tiên, việc xác định phổ ứng suất tại điểm nóng giúp hiểu rõ hơn về các điểm yếu trong cấu trúc Thứ hai, nội lực phần tử kết cấu thể hiện sự tương tác của các lực tác động và trạng thái biển, từ đó cung cấp thông tin cần thiết để tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo tính an toàn của công trình.

Hình 3.13 Minh họa kết quả nội lực, ứng suất ngẫu nhiên của phần tử kết cấu trong phần mềm SACS

- Phần mềm SACS Ver 5.8 được sử dụng trong luận án để:

Phân tích mỏi giai đoạn 1 của kết cấu công trình biển cố định bằng thép là cần thiết để dự đoán những nút có khả năng chuyển sang mỏi giai đoạn 2 trong suốt thời gian khai thác kéo dài Việc này giúp đảm bảo tính an toàn và độ bền của công trình, đồng thời tối ưu hóa quy trình bảo trì và nâng cấp.

Phân tích nội lực ngẫu nhiên trong kết cấu dưới các trạng thái biển khác nhau giúp xác định ứng suất tại các điểm nóng Điều này hỗ trợ cho việc phân tích lan truyền vết nứt do mỏi theo mô hình ngẫu nhiên.

3.5.2 Phần mềm USFOS (Ultimate Strength Analysis of Framed Offshore Structure)

Phần mềm chuyên dụng của DnV được thiết kế để tính toán và phân tích độ bền cực hạn của các kết cấu công trình biển cố định bằng thép Phần mềm này có phạm vi ứng dụng rộng rãi, phục vụ cho việc đảm bảo an toàn và hiệu quả trong các dự án xây dựng công trình biển.

Phân tích kết cấu phi tuyến về hình học và vật liệu là cần thiết khi mô hình hóa chuyển vị lớn, đặc biệt khi xem xét sự thay đổi hình dạng của kết cấu sau mỗi bước gia tăng tải trọng Quá trình này bao gồm việc đánh giá biến dạng lớn, sự hình thành các khớp dẻo và hiện tượng mất ổn định của các phần tử kết cấu.

+ Phân tích theo mô hình tĩnh phi tuyến và động lực học phi tuyến theo miền thời gian;

+ Phân tích kết cấu chịu tải trọng cố định, tải trọng môi trường biển, chịu gia tốc cưỡng bức, chịu tải trọng cháy, nổ, vật rơi và va tàu;

Phân tích kết cấu suy giảm độ bền của ống do các tổn thất và khuyết tật được mô tả qua độ bẹp, tập trung vào trạng thái phá hủy của kết cấu khi có chuyển vị lớn và hiện tượng chảy dẻo Đồng thời, nghiên cứu cũng xem xét mối quan hệ giữa tổng tải trọng và chuyển vị tổng thể để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của các yếu tố này đối với độ bền của kết cấu.

Hình 3.14 Minh họa trạng thái phá hủy của kết cấu theo các bước gia tăng của tải trọng trong phần mềm USFOS

Phần mềm USFOS Ver 7.2 được áp dụng trong luận án nhằm xác định nội lực phi tuyến của kết cấu dưới tải trọng vượt mức thiết kế Phần mềm này cũng xem xét ảnh hưởng của vết nứt do mỏi tại một số nút, được mô tả tương đương thông qua các độ bẹp tại vị trí đầu phần tử.

Phần mềm của Jesmond Engineering hỗ trợ tính toán các số gia ứng suất và đếm số chu trình tương ứng từ dữ liệu ứng suất theo thời gian, sử dụng phương pháp đếm dòng mưa (Rainflow Counting Method) Các số gia ứng suất được phân loại theo độ lệch đã được xác định trước.

Kết luận chương 3

Trong chương 3, luận án trình bày phương pháp luận đánh giá khả năng chịu tải vượt mức thiết kế của kết cấu công trình biển cố định bằng thép Phương pháp này được áp dụng trong quá trình gia hạn khai thác sau khi kết cấu đã hết tuổi thọ thiết kế.

Xây dựng mối quan hệ giữa chiều cao sóng cực đại và xác suất xuất hiện là rất quan trọng trong điều kiện biển Việt Nam Điều này hỗ trợ đánh giá rủi ro cho các công trình biển cố định bằng thép, đặc biệt khi xem xét nhiều kịch bản về chiều cao sóng lớn có thể vượt mức thiết kế trong suốt thời gian khai thác dài hạn.

Phân tích lan truyền vết nứt do mỏi theo mô hình ngẫu nhiên giúp đánh giá thời gian gia hạn tối đa của kết cấu, đồng thời cung cấp cơ sở cho việc mô hình hóa độ suy giảm tiết diện chịu lực tích lũy theo từng năm gia hạn.

Xây dựng phương pháp và quy trình đánh giá khả năng chịu đựng của kết cấu công trình biển cố định bằng thép trước các con sóng có chiều cao vượt mức thiết kế là rất cần thiết Phương pháp này dựa trên mô hình ngẫu nhiên và đánh giá độ tin cậy của các tiết diện phần tử kết cấu chính Đặc biệt, cần xem xét điều kiện chảy dẻo toàn phần và kích thước giới hạn của vết nứt do mỏi để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho công trình.

Dự báo thời gian khai thác tối đa của các kết cấu công trình biển cố định bằng thép tại vùng biển Việt Nam sau khi hết tuổi thọ thiết kế cần được thực hiện với xác suất rủi ro cụ thể Việc này giúp đánh giá độ an toàn và khả năng duy trì hoạt động của công trình trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.

Phương pháp luận được phát triển phù hợp với các phương pháp tính toán và phần mềm hiện đại đang được áp dụng trên toàn cầu Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần được nghiên cứu và mở rộng thêm để nâng cao hiệu quả và tính chính xác của phương pháp này.

Mặt phản ứng được thiết lập theo phương pháp tổng bình phương sai số nhỏ nhất, dẫn đến việc luôn có sai số tồn tại Khi sai số lớn, tỷ lệ giữa miền an toàn và miền phá hủy sẽ không phản ánh chính xác thực tế trong việc đánh giá độ tin cậy Tuy nhiên, sai số này có thể được khắc phục khi áp dụng vào thực tế thông qua việc sử dụng các hệ số an toàn, bổ sung vào giá trị chiều cao sóng tối đa và khoảng thời gian gia hạn cho phép.

Do các chỉ tiêu đánh giá điều kiện bền và mỏi khó có thể biểu diễn qua một quy luật phân phối xác định, việc thực hiện nhiều bước mô phỏng Monte Carlo trở nên cần thiết, dẫn đến khối lượng và thời gian tính toán tăng cao Để khắc phục vấn đề này, nghiên cứu phát triển tiếp theo sẽ tập trung vào việc xây dựng phần mềm tự động hóa quá trình tính toán.

Phương pháp luận có thể được sử dụng để đánh giá việc gia hạn khai thác cho các kết cấu công trình biển cố định bằng thép tại các khu vực biển Việt Nam, khi kết hợp với các số liệu khảo sát hiện trạng đáng tin cậy.

Phương pháp luận của luận án được triển khai thông qua việc kết hợp sử dụng các phần mềm tính toán đã đề cập ở mục 3.5 cùng với các bảng tính tự lập như trình bày ở mục 3.4 Chương 4 sẽ áp dụng phương pháp luận này để đánh giá một kết cấu công trình biển cố định bằng thép tại khu vực biển Việt Nam, nhằm làm căn cứ cho việc gia hạn khai thác.

ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Mở đầu

Phương pháp luận đã được xây dựng trong chương 3 sẽ được áp dụng trong chương

Để phân tích và đánh giá khả năng chịu tải vượt mức thiết kế cùng thời gian khai thác kéo dài của kết cấu công trình biển cố định bằng thép, cần xem xét bốn yếu tố chính, đặc biệt là vị trí xây dựng thuộc mỏ.

Sư Tử Đen vùng biển ngoài khơi Việt Nam Các số liệu đầu vào và kết quả tính toán được trình bày trong các mục dưới đây.

Tóm tắt số liệu đầu vào

4.2.1 Số liệu về công trình

Công trình được thiết kế với kết cấu dạng jacket gồm 4 ống chính, trong đó các cọc được đóng lồng trong ống chính Thông số kỹ thuật chính của công trình được trình bày trong bảng 4.1 Tuổi thọ thiết kế của kết cấu này là 25 năm.

Bảng 4.1 Tóm tắt số liệu kết cấu công trình

Trọng lượng thượng tầng 800 (T) Ống chính 900x19(mm)

Cọc 720x20 (mm) Ống nhánh 609x12,7(mm)

Bảng 4.2 Đặc trưng xác suất của tính chất vật liệu Đại lượng Phân phối xác suất Giá trị trung bình Độ lệch chuẩn

Mô đun đàn hồi Phân phối chuẩn 2,1x10 8 KN/m2 5%

Giới hạn chảy Phân phối chuẩn 345000KN/m2 6% Đường kính ống chính Phân phối chuẩn 900mm 4mm Chiều dày ống chính Phân phối chuẩn 19mm 1,5mm

Bảng 4.3 Các đặc trưng phá hủy mỏi của vật liệu

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 log(N) (số chu trình) lo g (S ) (Mp a )

Đường cong mỏi S-N thể hiện mối quan hệ giữa số lần tải và ứng suất Số liệu về môi trường bao gồm thông tin hải văn với độ sâu nước tương ứng với mực nước trung bình là 45,6m, mực nước cao nhất đạt +2,0m và mực nước thấp nhất là -2,5m Bên cạnh đó, số liệu về gió cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá điều kiện môi trường.

Chu kỳ lặp Vận tốc gió trung bình 1h tại cao độ +10m (m/s)

1 năm 18,0 18,0 22,0 16,0 15,0 14,0 15,0 19,0 c) Số liệu sóng cực đại

Bảng 4.5a: Số liệu sóng cực đại chu kỳ lặp 100 năm

Thông số sóng Hướng sóng

Chiều cao sóng Max (m) 12,90 12,27 14,78 8,23 7,88 8,91 11,61 12,58 Chu kỳ của sóng (sec) 11,35 10,88 12,79 8,00 7,76 8,47 10,40 11,11 Chiều cao sóng Hs (m) 6,86 6,48 8,00 4,19 4,00 4,57 6,10 6,66 Chu kỳ Tz(sec) 9,61 9,21 10,82 6,77 6,57 7,17 8,80 9,40

Bảng 4.5b: Số liệu sóng cực đại chu kỳ lặp 10 năm

Thông số sóng Hướng sóng

Chiều cao sóng Max (m) 9,23 8,78 10,58 5,89 5,64 6,38 8,31 9,00 Chu kỳ của sóng (sec) 8,97 8,59 10,11 6,32 6,13 6,69 8,21 8,78 Chiều cao sóng Hs (m) 4,96 4,72 5,69 3,17 3,03 3,43 4,46 4,84 Chu kỳ Tz(sec) 7,59 7,27 8,55 5,35 5,20 5,66 6,95 7,42 d) Số liệu dòng chảy

Bảng 4.6: Số liệu dòng chảy

Cao độ tương quan với độ sâu nước

Tại đáy 0,20 0,35 0,73 0,20 0,20 0,22 0,27 0,20 e) Số liệu sóng thống kê phục vụ tính toán mỏi

Bảng 4.7 Số liệu sóng thống kê trong 1 năm

Ghi chú: Hướng 0 độ (chiều dương trục X) tương ứng với sóng hướng Đông f) Số liệu hà bám

Bảng 4.8 Số liệu hà bám Độ sâu (m) Chiều dày hà bám lớn nhất Độ nhám bề mặt

Gần đáy biển (1,1m trên đáy) 102 64 Đáy biển 25 13

Đánh giá kết cấu theo các tiêu chuẩn hiện hành

Dựa trên các trạng thái biển ngắn hạn với chiều cao sóng đáng kể và chu kỳ cắt không, phổ Pierson-Moskowitz (PM) được sử dụng để mô tả Cụ thể, dạng phổ PM tương ứng với trạng thái biển có chiều cao sóng H s = 2,5m và chu kỳ T z = 10,5s, như thể hiện trong hình 4.2.

Phần mềm SACS được sử dụng để tính toán mỏi giai đoạn 1 theo phương pháp phổ, trong đó kết quả cho thấy các nút có tuổi thọ nhỏ nhất được liệt kê trong bảng 4.9 Đặc biệt, nút ống 202L có tuổi thọ mỏi thấp nhất, chỉ đạt 27 năm.

Với tuổi thọ thiết kế lên đến 25 năm, kết cấu đảm bảo an toàn về mỏi theo tiêu chuẩn hiện hành và có khả năng gia hạn khai thác thêm tối đa 2 năm.

- Kết quả phổ ứng suất và tổn thất tích lũy của 2 nút do một trạng thái biển điển hình được cho trong hình 4.3 và 4.4

Hình 4.2 trình bày phổ sóng tương ứng với trạng thái biển Hs = 2,5m và Tz = 10,5s, bao gồm các yếu tố như nút, phổ ứng suất do 1 TTB, và tổn thất tích lũy do 1 TTB Hình 4.3 cho thấy kết quả phổ ứng suất và tổn thất tích lũy mỏi tại nút 202L do 1 trạng thái biển, với các thành phần tương tự Cuối cùng, Hình 4.4 thể hiện kết quả phổ ứng suất và tổn thất tích lũy mỏi tại nút 101L cũng do một trạng thái biển.

Bảng 4.9 Thống kê các nút có tuổi thọ mỏi nhỏ nhất

Nút Phần tử Vị trí nứt Tuổi thọ (năm) Hướng sóng gây mỏi

202L 101L-202L Điểm crown, trên ống chính 27,01 225 độ

101L 101L-201L Điểm crown, trên ống chính 53,75 225 độ

4.3.2 Kết quả kiểm tra bền theo ứng suất cho phép

- Theo các tiêu chuẩn hiện hành, điều kiện bền xét với trạng thái cực hạn (bão 100 năm) được kiểm tra theo ứng suất cho phép

- Kết quả kiểm tra bền kết cấu tương ứng tổ hợp tải trọng với điều kiện môi trường chu kỳ lặp 100 năm được cho trong bảng 4.10

Bảng 4.10 Kết quả kiểm tra bền tương ứng điều kiện môi trường 100 năm

Phần tử Vị trí UC Hmax (m) Hướng

102L-202L Ống chính khoang cuối trục A 0,912 14,78 Đông

004P-104L Đoạn cọc ngàm giả định trục B 0,973 14,78 Đông

Hình 4.5 Kết quả kiểm tra bền kết cấu trạng thái cực hạn

Theo điều kiện bền quy định trong tiêu chuẩn hiện hành, UC của phần tử 004P-104L gần đạt mức 1, cho thấy kết cấu chỉ có khả năng chịu đựng tối đa trong môi trường chu kỳ lặp 100 năm.

4.3.3 Kết quả đánh giá độ bền cực hạn của kết cấu

Theo tiêu chuẩn API RP 2A, độ bền cực hạn của kết cấu được xác định qua hệ số cường độ dự trữ Cụ thể, đối với kết cấu giàn nhà, hệ số cường độ dự trữ tối thiểu yêu cầu là RSR = 1,6.

Kết quả đánh giá độ bền cực hạn nhỏ nhất của kết cấu khi chịu sóng hướng Đông, không tính đến ảnh hưởng của vết nứt do mỏi, đã được phân tích bằng phần mềm USFOS Thông tin này được thể hiện rõ trong hình 4.6 và bảng 4.11, cho thấy trạng thái phá hủy của kết cấu.

Kết cấu phá hủy do phần tử ống chính khoang cuối cùng bị mất ổn định dẫn đến chảy dẻo toàn phần b) Hệ số cường độ dự trữ RSR = 2,0

Hình 4.6 Kết quả phân tích độ bền cực hạn của kết cấu Bảng 4.11 Kết quả đánh giá độ bền cực hạn của kết cấu Hướng

Chiều cao sóng thiết kế (m)

Chiều cao sóng gây phá hủy (m)

Phần tử ống chính khoang cuối trục B bị mất ổn định dẫn đến chảy dẻo toàn phần

Phần tử mất ổn định

Kết quả đánh giá độ bền theo ứng suất cho phép cho thấy rằng kết cấu không đảm bảo an toàn khi chịu kịch bản sóng cao Hmax lớn hơn 14,78m (chu kỳ lặp 100 năm) Tuy nhiên, phân tích độ bền cực hạn cho thấy với tuổi thọ như đã nêu, kết cấu vẫn có khả năng chịu đựng sóng cao đến 20,9m trong điều kiện môi trường với chu kỳ lặp lớn hơn 100 năm.

Đánh giá kết cấu theo phương pháp của luận án

Theo phân tích mỏi giai đoạn 1, nút 202L có tuổi thọ 27,01 năm, trong khi nút 101L có tuổi thọ 53,75 năm Sau khi hết tuổi thọ thiết kế, kết cấu vẫn có thể khai thác thêm khoảng 2 năm, nhưng sẽ xuất hiện vết nứt vĩ mô tại nút 202L Do đó, nút 202L được chọn để phân tích sự phát triển của vết nứt hàng năm, làm cơ sở đánh giá kết cấu và dự báo khả năng kéo dài tuổi thọ Kết quả phân tích lan truyền vết nứt được trình bày chi tiết trong mục 4.4.2.

4.4.2 Kết quả dự báo phá hủy mỏi giai đoạn 2

Phân tích lan truyền vết nứt trên ống chính 102L-202L tại nút 202L nhằm dự báo khả năng kéo dài tuổi thọ tối đa, dựa trên số liệu phân tích mỏi giai đoạn 1.

- Bước 1: Xác định nội lực ngẫu nhiên trên phần tử ống nhánh 101L-202L bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo với nhiều thể hiện khác nhau

Trong nghiên cứu này, số lượng thể hiện được xác định dựa trên số lần xuất hiện của trạng thái biển tương ứng Để tối ưu hóa quá trình tính toán, luận án chỉ lựa chọn 4 thể hiện cho mỗi trạng thái biển Hình 4.7 đến 4.10 dưới đây trình bày kết quả nội lực của ống tại mặt cắt nút 202L, tương ứng với 4 thể hiện của một trạng thái biển có chiều cao sóng đáng kể.

Hs = 4,5m Kết quả chi tiết cho các trạng thái biển được trình bày trong phụ lục 1

N (kN) My (kNm) Mz (kNm)

Hình 4.7 Thể hiện thứ 1 của nội lực thanh 101L-202L tại mặt cắt nút 202L

N (kN) My (kNm) Mz (kNm)

Hình 4.8 Thể hiện thứ 2 của nội lực thanh 101L-202L tại mặt cắt nút 202L Thể hiện 3

N (kN) My (kNm) Mz (kNm)

Hình 4.9 Thể hiện thứ 3 của nội lực thanh 101L-202L tại mặt cắt nút 202L Thể hiện 4

N (kN) My (kNm) Mz (kNm)

Hình 4.10 Thể hiện thứ 4 của nội lực thanh 101L-202L tại mặt cắt nút 202L

Bước 3: Xác định số gia ứng suất tập trung tại điểm đỉnh (Crown) của chân mối hàn ống nhánh trên ống chính tại nút 202L và thực hiện đếm chu trình ứng suất trong vòng 1 năm.

Theo phân tích, thanh 101L-202L tại nút 202L bị hư hỏng ở điểm đỉnh liên kết giữa ống nhánh và ống chính, cụ thể là trên bề mặt ống chính Do đó, điểm này sẽ được xem xét trong giai đoạn 2 để phân tích sự lan truyền vết nứt do mỏi.

Các bảng từ 4.12 đến 4.15 trình bày kết quả số gia ứng suất tại điểm nóng đang được xem xét, cùng với số chu trình tương ứng cho bốn thể hiện của trạng thái biển có chiều cao sóng đáng kể.

Hs = 4,5m Kết quả chi tiết cho các trạng thái biển được trình bày trong phụ lục 2

Bảng 4.12 Số gia và số chu trình ứng suất Thể hiện thứ 1, Hs =4,5m

Bảng 4.13 Số gia và số chu trình ứng suất Thể hiện thứ 2, Hs =4,5m

Bảng 4.14 – Số gia và số chu trình ứng suất Thể hiện thứ 3, Hs =4,5m

Bảng 4.15 – Số gia và số chu trình ứng suất Thể hiện thứ 4, Hs =4,5m

Bước 4 yêu cầu xác định đặc trưng xác suất của số gia ứng suất trung bình, đảm bảo điều kiện K ≥ K th Điều này được thực hiện dựa trên kích thước vết nứt tích lũy theo năm, với giả thiết rằng vết nứt ban đầu có kích thước 1mm.

Cuối năm trước, chiều sâu vết nứt đã được xác định với độ tin cậy P = 0,9999 Dựa trên các số gia ứng suất, cần đảm bảo điều kiện K ≥ K th và số chu trình tương ứng để làm căn cứ xác định chiều sâu vết nứt cho năm tiếp theo.

+ Xác định ứng suất trung bình theo công thức (3.9) tương ứng với từng thể hiện

+ Xác định đặc trưng xác suất của ứng suất trung bình theo các thể hiện

Bảng 4.16 Đặc trưng xác suất của số gia ứng suất trung bình hàng năm Năm a i

Bước 5: Phân tích lan truyền chậm vết nứt cần thực hiện theo điều kiện K ≥ K th, nhằm xác định kích thước vết nứt tích lũy hàng năm với độ tin cậy P = 0,9999 Chiều dày ống được xem xét với giá trị trung bình t = 0,019m và độ lệch chuẩn = 0,0015m Từ đó, có thể xác định số năm giới hạn phá hủy mỏi.

Bảng 4.17 Phân tích phá hủy mỏi và số năm giới hạn phá hủy mỏi Năm a i

Chỉ số độ tin cậy an toàn về mỏi theo điều kiện lan truyền chậm vết nứt:

 Như vậy sau 27 năm tương ứng tuổi thọ giai đoạn 1, giàn có thể gia hạn thêm 8 năm với xác suất an toàn theo điều kiện mỏi xấp xỉ 0,9993

4.4.3 Kết quả đánh giá khả năng chịu các con sóng có chiều cao vượt mức thiết kế của kết cấu trong thời gian khai thác kéo dài

Theo kết quả tính toán lan truyền vết nứt do mỏi, chúng tôi tiến hành đánh giá độ tin cậy về độ bền của kết cấu ở năm thứ 7 và thứ 8 Mục tiêu là dự báo con sóng cao tối đa mà kết cấu có thể chịu đựng, đảm bảo rằng nó vẫn đủ khả năng chịu tải trong giai đoạn này.

Tại năm thứ 7, theo kết quả từ bảng 4.17 và công thức (3.41), chiều sâu vết nứt a được xác định là 0,83cm, với giả thiết chiều dài vết nứt c = 10a = 8,3cm Vết nứt này tương đương với độ bẹp D d = 0,94cm theo công thức (2.41).

Chiều cao sóng cực hạn có sự thay đổi từ giá trị thiết kế đến giá trị của một phần tử kết cấu khi bị chảy dẻo toàn phần Dựa vào các công thức (3.28) và (3.29), chúng ta có thể xác định các đặc trưng xác suất của chiều cao sóng cực hạn.

10000 max max 100 max max 1 max 1 max max

2 max 1 max 1 max max max

Xây dựng quan hệ giữa hàm mặt chảy của tiết diện 202L thuộc phần tử 102L-

202L, là tiết diện nguy hiểm nhất (Hình 4.11) và 11 biến ngẫu nhiên là H max , E, F y ,

D 1 , D 2 , D 3 , D 4 , t 1 , t 2 , t 3 , t 4 theo phương pháp đã xây dựng trong mục 3.4.2.1 với các bước như sau:

Miền giá trị của H max T là [-0,87, 3,50], miền giá trị các biến khác là [-1, 1]

Hàm mặt chảy xấp xỉ cho tiết diện 202L có dạng tổng quát với 78 số hạng và 11 biến ngẫu nhiên Bảng 4.18 thể hiện phương pháp lựa chọn giá trị cho các biến ngẫu nhiên theo kỹ thuật Latin Square, cùng với kết quả phân tích giá trị mặt chảy thực của tiết diện 202L bằng phần mềm USFOS.

Bảng 4.18 Lựa chọn các giá trị cho các biến và kết quả mặt chảy thực của tiết diện 202L max

Dựa trên phân tích hồi quy với 78 phép thử tương ứng với 78 bộ giá trị của biến, các hệ số của  eq đã được xác định Kết quả cho thấy  eq có thể được viết dưới dạng: max 2 3.

2 2 2 2 max 2 3 max max max 1 max 2 max 1 max 4 max 1 max 2 max 3 ma

Hình 4.11 Trạng thái kết cấu xuất hiện khớp dẻo đầu tiên – Năm thứ 7

Tổng bình phương sai số của hàm mặt chảy xấp xỉ so với thực tế là 0,004, trong khi tổng bình phương chung đạt 2,992 Hệ số R² được tính là 1 - 0,0004/2,992 = 0,999, cho thấy hàm mặt chảy xấp xỉ có độ chính xác cao và có thể chấp nhận được do hệ số R rất gần 1.