Giới thiệu về công trình biển cố định

Giới thiệu về công trình biển cố định, số liệu xuất phát và nhiệm vụ thiết kế. 1.1 Giới thiệu chung về công trình biển cố định. Biển và đại dương chiếm tỷ lệ 7/10 diện tích Trái Đất,các nhu cầu của con người trên biển ngày càng tăng vì vậy đòi hỏi phải xây dựng các công trình trên biển nhằm đáp ứng những mục tiêu cơ bản như thăm dò, khai thác dầu khí, các nhu cầu đi lại, ăn ở ngoài biển và các hoạt động khác như du lịch, nghiên cứu khoa học...

Mục lục

Mục lục 1

Chương 1 : 2

1.1 Giới thiệu chung về công trình biển cố định 2

1.2 Số liệu xuất phát 2

1.3 Nhiệm vụ thiết kế môn học 3

Chương 2 : 4

2.1 Các kích thước chính của công trình 4

2.2 Kiểm tra điều kiện tự nổi của chân đế móng 7

Chương 3 : 9

3.1 Tải trọng sóng (theo lý thuyết sóng Airy) và dòng chảy 9

3.2 Tải trọng gió 14

3.3 Tải trọng bản thân công trình 16

Chương 1 :

Giới thiệu về công trình biển cố định,

số liệu xuất phát và nhiệm vụ thiết kế.

1.1 Giới thiệu chung về công trình biển cố định.

Biển và đại dương chiếm tỷ lệ 7/10 diện tích Trái Đất,các nhu cầu của con người trên biển ngày càng tăng vì vậy đòi hỏi phải xây dựng các công trình trên biển nhằm đáp ứng những mục tiêu cơ bản như thăm dò, khai thác dầu khí, các nhu cầu đi lại, ăn ở ngoài biển và các hoạt động khác như du lịch, nghiên cứu khoa học

Có thể có nhiều cách phân loại công trình biển như công trình ven bờ và công trình

xa bờ; công trình biển cố định và công trình biển di động, hoặc theo tính năng của công trình như công trình khai thác dầu khí, công trình bảo đảm an toàn hàng hải và các trạm nghiên cứu

Quá trình phát triển của các loại công trình biển cố định liên quan chặt chẽ với sự phát triển của nghành dầu khí ở những mỏ khí đốt ở thềm lục địa, với độ sâu khai thác nhỏ hơn 400m, xu thế hiện nay là phát triển các công trình biển trọng lực bằng bêtông Công trình biển trọng lực bằng bêtông ổn định chủ yếu là nhờ vào trọng lượng bản thân công trình do đó công trình có kích thước rất lớn và ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như sự xâm thực của nước biển, chịu tải trọng sóng, gió tốt đồng thời giảm đáng kể chi phí cho duy tu, bảo dưỡng trong quá trình làm việc bình thường của công trình Ngoài

ra do tuổi thọ công trình cao (75-100 năm) trong khi thời gian khai thác các mỏ thường chỉ kéo dài từ 20-25 năm nên có thể sử dụng công trình nhiều lần để khai thác dầu khí ở những vị trí khác hay là sử dụng cho những mục đích khác khi công trình không còn khai thác dầu khí Các ụ nổi sử dụng khi đúc các khối công trình có thể sử dụng để đóng mới

và sửa chữa các con tàu lớn mà điều kiện hạ thủy của chúng rất khó khăn

Thiết kế môn học không đi sâu vào chi tiết quá trình làm việc và các cấu tạo đặc trưng của công trình phục vụ cho quá trình khai thác và sản xuất mà chỉ xét đến khả năng

ổn định và kết cấu công trình mang tính đặc thù cho dạng công trình biển trọng lực bằng bêtông

1.2 Số liệu xuất phát.

dc

10 Vận tốc dòng chảy đáy d

dc

g

1.3 Nhiệm vụ thiết kế môn học.

1.3.1 Thuyết minh.

- Xác định kích thước cơ bản của công trình (căn cứ vào điều kiện tự nổi để xác định);

- Xác định tải trọng tác động lên công trình;

- Tính toán bê tông cốt thép cột, đế móng (chú ý biện phám thi công thép ứng suất trước);

- Lập dự án;

- Tính toán nền móng công trình

1.3.2 Bản vẽ

Bản vẽ trên giấy A1 gồm:

- Sơ đồ tải trọng sóng, gió, dòng chảy tác động lên công trình;

- Thể hiện kết cấu công trình: Cột, đế móng, bảng thống kê;

- Thống kê khối lượng

h d

d0

Δd

γH

Δ0

H

Chương 2 :

Sơ bộ lựa chọn kích thước của công trình 2.1 Các kích thước chính của công trình.

Công trình biển trọng lực bêtông có kết cấu móng nông, trọng lượng chi phối chủ yếu do đế móng, như vậy trọng tâm công trình sẽ hạ thấp và tăng độ ổn định cho công trình khi làm việc với những tải trọng tác động có trị số lớn và tính bất thường cao

Công trình thiết kế có móng dạng trụ tròn, bên trong rỗng để bố trí các thiết bị phục

vụ cho công tác khoan dầu Giữa đế móng và trụ đỡ có các sườn gia cường Trụ đỡ sàn công nghệ cũng có dạng trụ tròn để chịu tải trong ngang do sóng, gió, dòng chảy Trụ đỡ

có kích thước vừa phải để có thể giảm diện tích tiếp xúc trực tiếp với tải trọng sóng (là tải trọng chủ yếu và nguy hiểm nhất cho công trình trong quá trình khai thác và sửa chữa) dẫn tới kết quả là giảm được tải trọng sóng tác dụng lên công trình.Đế móng được mở rộng nhằm đảm bảo ổn định trượt, lật cho công trình

2.1.1 Cao độ sàn công tác.

Sơ bộ chọn cao độ sàn công tác theo hình vẽ sau:

Hình 2.1.1.1.1 Sơ đồ xác định cao độ sàn công tác.

Cao độ sàn công tác được xác định như sau:

h = d0 + ΔHđ + γH + ΔH + ΔH0

Trong đó:

+ h: chiều cao chân đế tính từ đáy công trình đến mặt dưới của sàn công tác.

+ d0: Độ sâu nước tại vị trí xây dựng công trình, lấy theo độ sâu hải đồ, d0 = 50m ΔHd = ΔHdtr + ΔHdnd

ΔHdtr: Nước dâng do triều, ΔHdtr = 3,3m

ΔHdnd: Nước dâng do bão, ΔHdnd = 2m

+ H: Chiều cao sóng, H = 16,2m

+ γH + ΔH: Vị trí của đỉnh sóng so với mức nước lặng có kể đến triều và nước dâng

γH + Δ: Hệ số theo lý thuyết sóng Airy: γH + Δ = 0,5

+ ΔH0: Là khoảng trống của sàn, người ta gọi là độ tĩnh của công trình biển, theo quy phạm DnV, trong điều kiện thông thường, ΔH0 1,5m Chọn ΔH0 = 1,6

Vậy h = 50 + 3,3 + 2 + 16,2.0,5 + 1,6 = 65 (m)

2.1.2 Kích thước chính của công trình.

2.1.2.1 Kích thước chân đế

11.2 m

D = 37.3m

t = 0.56m

t = 0.5 m

s­ ên­gia­c­ êng

t = 0.75m

t = 0.56 m

t =0.56m

Hình 2.1.2.1.1 Kích thước chân đế.

- Đường kính ngoài của đế móng : Dm = 37,3 m

- Chiều cao của đế móng: hm = 8,5 m

- Chiều dày thành đế móng : tm = 0,56 m

- Đường kính trong của đế móng : dm = Dm - 2 tm = 36,18 m

t = 0.56m

h = 53mt

10.08m 11.2m

- Bề dày bản đáy : 0,75 m

- Bề dày bản nắp : 0,56 m

2.1.3 Kích thước trụ.

Hình 2.1.3.1.1 Kích thước trụ.

- Đường kính ngoài của trụ : Dt = 11,2 m

- Chiều dày trụ : tt = 0,56 m

- Đường kính trong của trụ : dt = Dt – 2t = 10,08 m

- Chiều cao trụ : ht = h- hm = 61,5 – 8,5 = 53m

2.1.4 Sườn gia cường.

Dùng để liên kết giữa trụ và đế móng,có tác dụng tăng cường độ cứng của trụ Sườn gia cường có chiều dày 0,56 m ; chiều cao 7,19m (hm – bề dày bản đáy – bề dày bản nắp),

có 8 cái như hình vẽ

560

11200

560

Hình 2.1.4.1.1 Kích thước chân đế móng.

2.2 Kiểm tra điều kiện tự nổi của chân đế móng.

Công trình là kiểu trọng lực bê tông, phương pháp thi công là sẽ hạ thủy chân đế kéo đến vị trí đủ độ sâu ven biển thi công tiếp rồi đánh chìm,thi công xng phần trụ rồi mới cẩu lắp các khối thượng tầng lên,vì vậy trong quá trình thi công chân đế phải đảm bảo nổi trên mặt nước để thi công tiếp phần trụ phía trên vì vậy ta phải kiểm tra độ nổi của đế móng

2.2.1 Thể tích các bộ phận đế móng.

+ Thể tích bê tông bản thành

(m3)

+ Thể tích bê tông trụ nằm trong móng

(m3)

+ Thể tích bê tông của bản nắp

(m3)

+ Thể tích bê tông của bản đáy

(m3)

+ Thể tích bê tông của sườn gia cường.

37,3 11, 2

8 8 .7,19.0,56 420,3

m t suon suon suon

 Tổng thể tích của đế móng:

V = V1+V2+V3+V4+Vsuon= 464,7 + 137,5 + 556,7 + 819,5 + 420,3 = 2398,7 (m3)

 Tổng khối lượng bê tông của đáy móng:

GBT = BT.V = 2,5.2398,7 = 5996,75 (T)

2.2.2 Thể tích chiếm nước của đế móng.

5996,75

5850 1,025

BT d

n

G V



(m3)

2.2.3 Thể tích toàn phần của đế móng.

.37,3 8,5

9288

m m tp

D h

(m3)

2.2.4 Thể tích nổi.

Vn = Vtp – Vd = 9288 – 5850 = 3438 (m3)

Vậy chiều cao phần nổi trên mặt nước là:

2

3538.4

3,14 37,3

n n

d

V H

(m)

Vậy đế móng đảm bảo nổi trong quá trình thi công

d = 55,3 m

Z

X

Z = -d

MNTT O

Chương 3 :

Tải trọng tác dụng lên công trình.

3.1 Tải trọng sóng (theo lý thuyết sóng Airy) và dòng chảy.

3.1.1 Các phương trình sóng.

Tính toán tải trọng sóng tác dụng lên công trình theo lý thuyết sóng tiền định của Airy Chọn hệ trục công trình để tính: trục z hướng lên trên, trục x nằm ngang trùng với MNLTT (theo hướng lan truyền sóng), gốc tọa độ O trùng với mực nước tính toán như hình vẽ :

Hình 3.1.1.1.1 Hệ toạ độ tính toán tải trọng sóng.

Với d = d0+ đ = 50 + 5,3 = 55,3m là chiều sâu nước tính toán,có kể đến dao động của thủy triều và nước dâng

+ Phương trình tung độ mặt sóng: Chiều cao nước đường mặt so với mực nước tĩnh

 , os  os2

x t

L T

        

 , Trong đó:

2

2



2

x t

H

+ Thành phần vận tốc sóng theo phương ngang tại độ sâu z:

cosh

s

x

k z d

H gT



+ Thành phần gia tốc sóng théo phương ngang tại độ sâu z:

cosh

cosh

s

x

k z d

g H







3.1.2 Các thông số về sóng.

+ Chiều cao sóng: H = 16,2m;

+ Chu kì sóng: T = 16,5s

 Chều dài song:

2 9,81.13,52

285,54

gT L

m

+ Số sóng trong một chu kì:

0,022 285,54

k L

+ Tần số sóng:

0, 46 13,5

T

s-1

+ Xét tỉ số:

1 11, 2

0,0392 0, 2 285,54

D

Vậy công trình có kích thước nhỏ tới mức không làm thay đổi chuyển động của sóng nên có thể xác định tải trọng của sóng theo phương trình của Morison

3.1.3 Tính tải trọng của sóng.

Tải trọng của sóng được xác định theo phương trình Morison

q(z,t) = qD + qM

Trong đó :

- qM: Lực cản quán tính

os

os

c h k z d

g H



- qD : Lực cản vận tốc

2 2 2

2

os

c h k z d

 

- D: Đường kính tiết diện, D = 11,2m;

- CD: Hệ số cản vận tốc, CD = 1;

- CM: Hệ số nước kèm, CM = 1,5;

- ρ: Mật độ của nước biển, 1, 025T/m3

- A: Diện tích mặt cắt ngang của phần tử kết cấu

Ta có:

 

2 2 2

2

os 1

c h k z d

 

os

os

c h k z d

g H



 qmax  t = 6 rad

Tung độ mặt sóng tại gốc toạ độ ứng với qmax là: x = 0

0

16, 2 cos cos 0,022.0 6 8,05

Vận tốc lan truyền sóng ứng với qmax là:

os

cos

s

x

c h k z d

g T





os 0,022 0,022.55,3

16, 2.9,81.13,5

cos 6 1,961.cosh 0,022 1, 2166 ( ) 2.285,54 os 0,022.55,3

s

x

c h



Gia tốc của phần tử nước:

os

sin os

s

x

c h k z d g







2

os 0,022 55,3 9,81 16, 2

.sin 0,022.0 6 0, 266.cosh 0,022 1, 2166 ( / ) 285,54 os 0,022.55,3

s

x

c h

3.1.4 Tải trọng do dòng chảy.

Với công trình có kích thước nhỏ thì ta có thể sử dụng công thức của Morison để

xác định tải trọng của dòng chảy tác động vào công trình:

1

2

Trong đó:

+ Vdc: Vận tốc của dòng chảy được xác định khi ta coi dòng chảy biến thiên theo

quy luật bậc nhất theo độ sâu

+ Vận tốc dòng chảy tại chân công trình khi đỉnh sóng tiếp cận chân công trình

Z

Vd Vdc(z)

Vm

Vdc(z) Vm'

Vd

z

x

' m d

d



Trong đó:

+ Vm: Vận tốc dòng chảy mặt, Vm = 3,4 m/s

+ Vd: Vận tốc dòng chảy đáy, Vd = 0,9 m/s

' 3, 4 0,9 55,3 8, 05

0,9 4,02 55,3

m d

d



(m/s)

( )

4, 02 0,9 55,3

0,9 0,056 4,02 55,3

m d dc

d

(m/s)

3.1.5 Tải trọng do sóng và dòng chảy.

Do vận tốc dòng chảy chỉ chứa trong các mặt phẳng nằm ngang, nên vận tốc dòng chảy có phương hợp với vận tốc của sóng một góc α Để đơn giản , ta coi vận tốc dòng chảy và vận tốc sóng trùng nhau <=> α = 0

1

2

s

1,961.cosh 0, 022 1, 2166 0,056 4,02

x s dc

Wx 0, 266.cosh 0,022z1, 2166 (m/s2)

Để xác định tải trọng lên công trình ta chia chia công trình thành nhiều đoạn và tính tải trọng lên từng đoạn, ta lấy mỗi đoạn không lớn hơn 5m

Ta có bảng tính kết quả như sau:

Bảng 3.1.5.1.1.1 Tải trọng do sóng và dòng chảy tác động lên công trình Stt (m)z

D

(m) (m/s)Vs

V dc

(m/s) Vx=Vs+Vdc W

(m/s2) (m2)A (kN/m)q

Ta có bểu đồ tải trọng sóng và dòng chảy:

8.0500 5.0000 5.0000 5.0000 5.0000 5.0000 5.0000 5.0000

6.8000 5.0000 3.5000 5.0000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

13 14 12

MNTT

63,65 127,47 145,63 167,4 193,67 225,36 259,91

302,35

349,48

405,95

515,25

372,02

318,09

259,31

Hình 3.1.5.1.2 Biểu đồ tải trọng sóng và dòng chảy (kN/m)

Để xác định momen của kết cấu, ta quy đổi biểu đồ tải trọng như sau:

8.05 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00

6.80 5.00 3.50 5.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

13 14 12

MNTT

345,05

306,7

95,56 136,55 156,51 180,53 209,51 242,63 281,13 325,91 377,71

460,6

3707,83

1888,55

1629,55

1405,65

1213,15

1047,55

902,65

782,55

682,75

649,80

1725,5

1073,45

z

Hình 3.1.5.1.3 Biểu đồ quy đổi tải trọng và dòng chảy (kN) 3.2 Tải trọng gió.

Tải trọng gió tác dụng lên phần thượng tầng được xác định theo công thức sau:

0

tt tt

Trong đó:

+ q0: Áp lực gió,

2 2 0

45 126,56

16 16

g

V

(kG/m2) = 1,2656 (kN/m2)

+ A g tt

: Diện tích chắn gió thượng tầng, A g tt

= 2200m2

0 1, 2656.2200 2784,3

tt tt

(kN) Điểm đặt lực tại đáy sàn công tác Tải trọng gió tác dụng lên phần trụ nằm trên chiều cao sóng được xác định theo công thức:

0

Trong đó:

+ K: Hệ số kể đến sự thay đổi của áp lực động gió theo chiều cao công trình

Tra bảng 5/TCVN2237-1995, ta có: Z=1,65m < 3m, địa hình dạng A => K = 1 (Z=h-d-0=65 - 55,3 – 8,05 =1,65m)

+ C: Hệ số khí động phụ thuộc vào hình dáng của các phần tử kết cấu công trình

(Tra bảng 6/TCVN2737-1995)

Kết cấu hình trụ tròn tra sơ đồ 35 ta có :

C= k.c

Hệ số k xác định theo bảng 6.1 của sơ đồ 34 phụ thuộc vào hệ số e :

Ta có e= 2.l/b= 2.65/11,2= 11,6 tra bảng kết hợp với nội suy ta được :

k= 0,67

Hệ số c xác định theo biểu đồ phụ thuộc vào /d và Re/105:

Với kết cấu bê tông cốt thép : = 0,005m

Hệ số Re xác định theo công thức :

5

Re 0,88 W 10 d o k 

TP.HCM vùng II.A => Wo= 95(daN/m2)

k=1, = 1,2, d= 11,2m

Tra biểu đồ ta được: c= 0,76

=> C= 0,67.0,76 = 0,5

Atr

g: Diện tích hình chiếu của trụ lên phương vuông góc với hướng gió (m2)

Atr

g = Dt Z = 11,2 1,65 = 18,48 m2

=> Qtr

g= 1,2656.1.0,5.18,48 = 11,69(kN)

8.05 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00

6.80 5.00 3.50 5.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

13 14 12

MNTT

345,05 306,7

95,56 136,55 156,51 180,53 209,51 242,63 281,13 325,91 377,71

460,6

3707,83

1888,55

1629,55

1405,65

1213,15

1047,55

902,65

782,55

682,75

649,80

1725,5

1073,45

z

11,69 2784,3

Hình 3.2.1.1.1 Sơ đồ tải trọng ngang tác dụng lên công trình.

Bảng 3.2.1.1.1.1 Lực ngang tác dụng lên công trình.

St

t Đoạn P (kN) X (m) M (kNm)

7

14 13_14 1073.45 1.75 1878.53

4

3.3 Tải trọng bản thân công trình.

Tải trọng thường xuyên: Q1 = 7000T = 65000kN

Trọng lượng của trụ trên mặt nước:

bt

Trọng lượng của trụ dưới mặt nước :

G2 = (BT - n).V = (BT - n) 4

 (D t2 d t2).(d – hm + 0)

= (25–10,25).4

 (11,22 – 10,082).(55,3 - 8,5 + 8,05) = 15144 (kN)

Trọng lượng phần chân đế

G3 = (BT - n).Vđm = (25 – 10,25) 2398,7 = 35380 (kN)

 Tổng tải trọng thẳng đứng tác dụng lên công trình: G = 116296 kN

8.05 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00

6.80 5.00 3.50 5.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

13 14 12

MNTT

345,05 306,7

95,56 136,55 156,51 180,53 209,51 242,63 281,13 325,91 377,71

460,6

3707,83

1888,55

1629,55

1405,65

1213,15

1047,55

902,65

782,55

682,75

649,80

1725,5

1073,45

z

11,69 2784,3

Hình 3.3.1.1.1 Sơ đồ tải trong tác dụng lên công trình.