Luận án : Nghiên cứu sự suy giảm độ tin cậy theo thời gian của kết cấu chân đế công trình biển cố định bằng thép do ảnh hưởng của tổn thất mỏi

-i - Lời cảm ơn Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể các thầy hướng dẫn khoa học, PGS.TS. Đinh Quang Cường và GS.TS. Phạm Khắc Hùng, đã tận tâm hướng dẫn và giúp đỡ tác giả để hoàn thành luận án này. Ngoài các kiến thức khoa học quý báu, các thầy đã luôn động viên, quan tâm hỗ trợ để tác giả vượt qua được nhiều thời điểm khó khăn trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin đặc biệt cảm ơn GS. TS. Phạm Khắc Hùng đã cho phép tác giả vận dụng một phần sáng chế của mình để giải quyết các vấn đề trong luận án. Tác giả chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong Viện Xây dựng Công trình Biển, các cán bộ Khoa Sau Đại học trường Đại học Xây Dựng đã đóng góp ý kiến về chuyên môn và tạo điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả cảm ơn gia đình yêu quý của mình, đặc biệt đối với vợ, các con và cha mẹ hai bên nội ngoại đã tin tưởng, khích lệ, cảm thông cho tác giả trong những năm tháng làm luận án. Tác giả Mai Hồng Quân -ii - Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Ngày …. tháng… năm 2014 Nghiên cứu sinh Mai Hồng Quân -iii - Mục lục Lời cảm ơn i Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu ix Danh mục các hình vẽ xii Danh mục các bảng biểu xiv Mở đầu 1 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 1 Ý nghĩa khoa học: 1 Ý nghĩa thực tiễn của luận án: 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KẾT CẤU CHÂN ĐẾ CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP (JACKET) 1.1. Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép 4 1.1.1. Khái quát về công trình biển cố định bằng thép 4 1.1.2. Các tải trọng tác động lên công trình biển cố định 5 1.1.3. Yêu cầu cơ bản về thiết kế và thi công 5 1.1.4. Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép trên thế giới 6 1.1.5. Tình hình ứng dụng và triển vọng phát triển loại công trình biển cố định bằng thép để khai thác dầu khí ở Việt Nam 7 1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng các phương pháp đánh giá an toàn kết cấu jacket trong các tiêu chuẩn hiện hành 8 1.2.1. Các phương pháp đánh giá an toàn sử dụng trong tiêu chuẩn hiện hành 8 1.2.1.1. Phương pháp đánh giá theo các trạng thái giới hạn 8 1.2.1.2. Phương pháp đánh giá theo độ tin cậy 9 1.2.2. Nhận xét về các phương pháp đánh giá an toàn sử dụng trong các tiêu chuẩn hiện hành 10 1.2.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế 10 1.2.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 11 1.2.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 11 1.3. Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án 12 -iv - 1.3.1.1. Nguyên lý tổng quát để đánh giá an toàn của các loại kết cấu công trình biển theo sáng chế của GS. Phạm Khắc Hùng 12 1.3.2. Đặt vấn đề nghiên cứu 13 1.3.3. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án 13 1.4. Các giả thiết và giới hạn nghiên cứu trong luận án 14 1.5. Kết luận của chương 1 15 CHƯƠNG 2: ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CỦA KẾT CẤU JACKET CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH DỰA TRÊN TÍNH TOÁN BỀN VÀ MỎI TRUYỀN THỐNG 2.1. Mở đầu 16 2.1.1. Các trạng thái tác động sóng lên các công trình biển 16 2.1.2. Đánh giá an toàn của kết cấu theo tiêu chuẩn hiện hành 17 2.1.2.1. Đánh giá theo điều kiện bền 17 2.1.2.2. Đánh giá an toàn theo điều kiện mỏi 17 2.2. Mô tả chuyển động sóng biển bề mặt 18 2.2.1. Mô tả sóng theo quan điểm tiền định 18 2.2.1.1. Các lý thuyết sóng 18 2.2.1.2. Miền áp dụng các lý thuyết sóng 19 2.2.2. Mô tả sóng theo quan điểm ngẫu nhiên 19 2.2.2.1. Mặt cắt (profile) của sóng ngẫu nhiên 19 2.2.2.2. Phổ năng lượng của sóng 20 2.2.2.3. Các phổ sóng thông dụng trong thiết kế kết cấu công trình biển 21 2.2.2.4. Phổ vận tốc và gia tốc của phần tử nước do sóng ngẫu nhiên 22 2.3.Tải trọng sóng tác dụng lên các phần tử mảnh của kết cấu jacket 22 2.3.1. Tải trọng sóng tiền định 22 2.3.2. Tải trọng sóng ngẫu nhiên 23 2.4. Đánh giá an toàn của kết cấu jacket theo điều kiện bền truyền thống 24 2.4.1. Đánh giá an toàn của kết cấu dựa trên mô hình sóng tiền định 24 2.4.1.1. Xác định phản ứng động của kết cấu theo mô hình tiền định 24 -v - 2.4.1.2. Kiểm tra bền của kết cấu theo mô hình tiền định 25 2.4.2. Đánh giá an toàn của kết cấu dựa trên mô hình sóng ngẫu nhiên 25 2.4.2.1. Phương pháp phổ 25 2.4.2.2. Phương pháp giải trong miền thời gian 26 2.5. Đánh giá an toàn của kết cấu jacket theo điều kiện mỏi truyền thống 28 2.5.1. Đánh giá an toàn về mỏi của kết cấu dựa trên mô hình sóng tiền định 28 2.5.1.1. Tính toán mỏi theo phương pháp tổn thất tích luỹ 28 2.5.1.2. Tính toán tổn thất mỏi theo mô hình sóng tiền định 29 2.5.2. Đánh giá an toàn về mỏi của kết cấu dựa trên mô hình sóng ngẫu nhiên 30 2.5.2.1. Ứng suất ngẫu nhiên tại điểm nóng 30 2.5.2.2. Xác định tổn thất mỏi trung bình của điểm nóng trong trạng thái biển ngắn hạn bằng phương pháp phổ 31 2.5.2.3. Tuổi thọ mỏi trung bình của điểm nóng trong kết cấu jacket 33 2.6. Kết luận của chương 2 33 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP LUẬN ĐÁNH GIÁ MỨC SUY GIẢM ĐỘ TIN CẬY THEO THỜI GIAN CỦA KẾT CẤU JACKET CÁC CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH 3.1. Mở đầu 35 3.1.1. Dạng tổng quát độ tin cậy theo điều kiện bền truyền thống 35 3.1.2. Dạng tổng quát độ tin cậy theo điều kiện mỏi truyền thống 35 3.2. Dạng tổng quát đánh giá sự suy giảm ĐTC tổng thể của kết cấu jacket 35 3.2.1. Dạng tổng quát độ độ tin cậy dựa trên điều kiện bền mở rộng 35 3.2.2. Dạng tổng quát độ độ tin cậy theo điều kiện mỏi mở rộng 36 3.3. Xác định độ tin cậy về bền của kết cấu jacket trong trạng thái biển ngắn hạn cực đại 37 3.3.1. Ứng suất ngẫu nhiên trong kết cấu 37 3.3.2. Độ tin cậy về bền của kết cấu jacket khi ứng suất có phổ dải hẹp 38 3.3.3. Độ tin cậy về bền của kết cấu jacket khi ứng suất có phổ dải rộng 38 -vi - 3.4. Xác định độ tin cậy theo điều kiện mỏi tại một điểm nóng của kết cấu jacket phụ thuộc vào thời gian khai thác 40 3.4.1. Xác định kỳ vọng và phương sai của tổn thất mỏi trong trạng thái biển ngắn hạn tại một điểm nóng 40 3.4.1.1. Biểu diễn ứng suất ngẫu nhiên tại điểm nóng trong miền thời gian 40 3.4.1.2. Xác định số lượng chu trình ứng suất bằng kỹ thuật đếm dòng mưa 43 3.4.1.3. Xác định kỳ vọng và phương sai của tổn thất mỏi tại điểm nóng trong một trạng thái biển ngắn hạn 44 3.4.2. Xây dựng hàm phân phối xác suất của tổn thất mỏi tại điểm nóng trong một năm……… 48 3.4.2.1. Mật độ xác suất của tổn thất mỏi tại điểm nóng trong một năm 48 3.4.2.2. Hàm phân phối xác suất của tổn thất mỏi tại điểm nóng trong một năm 48 3.4.2.3. Đánh giá độ tin cậy về mỏi tại điểm nóng trong 1 năm………………… 49 3.5. Xác định độ tin cậy về mỏi tại điểm nóng ở thời điểm T(năm) 50 3.6. Xác định ĐTC của kết cấu tại điểm xét dựa trên điều kiện bền mở rộng 51 3.6.1. Độ tin cậy ứng với trường hợp ứng suất trong kết cấu có phổ dải hẹp 51 3.6.2. Độ tin cậy ứng với trường hợp ứng suất trong kết cấu có phổ dải rộng 51 3.7. Xác định ĐTC của kết cấu tại điểm xét dựa trên điều kiện mỏi mở rộng . 51 3.7.1. Kỳ vọng của tỷ số tổn thất mỏi mở rộng 51 3.7.2. Phương sai của tỷ số tổn thất mỏi mở rộng 52 3.7.3. Độ tin cậy tính theo điều kiện mỏi mở rộng 52 3.8. Đánh giá sự suy giảm ĐTC theo thời gian của KCCĐ jacket dựa trên ĐTC thực tế (tổng thể) của KC tại điểm xét 52 3.9. Đánh giá mức độ suy giảm khả năng chịu tải của điều kiện biển cực đại theo thời gian khai thác công trình 53 3.10. Sơ đồ thuật toán đánh giá an toàn của kết cấu jacket theo các phương pháp truyền thống và theo phương pháp luận của Luận án 55 3.11. Kết luận của chương 3 60 -vii - CHƯƠNG 4: VÍ DỤ ỨNG DỤNG 4.1. Mở đầu 61 4.2. Các số liệu đầu vào sử dụng trong ví dụ 61 4.2.1. Số liệu về công trình 61 4.2.2. Số liệu về môi trường 62 4.3. Các phần mềm máy tính sử dụng trong ví dụ 64 4.3.1. Các phần mềm thương mại 64 4.3.2. Phần mềm tự lập “ RFCAL” 65 4.4. Kết quả tính độ tin cậy theo điều kiện bền truyền thống 65 4.4.1. Kết quả tính nội lực ngẫu nhiên trong kết cấu 65 4.4.2. Kiểm tra bền của phần tử thanh 67 4.5. Độ tin cậy theo điều kiện mỏi truyền thống của kết cấu jacket 67 4.5.1. Tính toán tổn thất mỏi 68 4.5.1.1. Đầu vào tính mỏi 68 4.5.1.2. Tính toán ứng suất điểm nóng 69 4.5.1.3. Tính toán tổn thất mỏi tại điểm nóng 71 4.5.2. Kết quả tính toán độ tin cậy theo điều kiện phá hủy mỏi truyền thống 73 4.6. Đánh giá sự suy giảm độ tin cậy tổng thể của kết cấu jacket 73 4.6.1. Độ tin cậy tại điểm đặc trưng của kết cấu khi bắt đầu khai thác 73 4.6.2. Đánh giá sự suy giảm độ tin cậy và khả năng chịu tải của kết cấu trong quá trình khai thác 74 4.6.2.1. Độ tin cậy theo điều kiện bền mở rộng 74 4.6.2.2. Kết quả tính độ tin cậy theo điều kiện mỏi mở rộng 75 4.6.2.3. Nghiên cứu bổ sung với trường hợp biến đổi khí hậu bất thường: 77 4.6.2.4. Kết quả tính toán độ tin cậy tổng thể của công trình 79 4.7. Đánh giá mức độ suy giảm khả năng chịu tải của điều kiện biển cực đại theo thời gian khai thác công trình tại điểm xét 80 4.8. Kết luận của chương 4 81 -viii - PHẦN KẾT LUẬN 1. Những kết quả đã đạt được 83 2. Những đóng góp mới của luận án 83 3. Kiến nghị của luận án 84 4. Hướng nghiên cứu phát triển của luận án 84 PHỤ LỤC: Chương trình tính mỏi ngẫu nhiên RFCAL ………… ……….…….90 -ix - Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu CTB Công trình biển CTB CĐ Công trình biển cố định TTB Trạng thái biển ĐLNN Đại lượng ngẫu nhiên QTNN Quá trình ngẫu nhiên ĐTC Độ tin cậy ߪ Ứng suất trong kết cấu ሾ ߪ ሿ Ứng suất cho phép ܴ Khả năng chịu lực của vật liệu ܴ ௞ Cường độ của vật liệu ߛ ௠ Hệ số an toàn của vật liệu ULS Trạng thái ứng suất cực hạn WSD Thiết kế theo ứng suất cho phép LRFD Phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số cường độ ߛ ௜ Hệ số của tải trọng thứ i FLS Trạng thái giới hạn phá hủy mỏi ܦ Tỷ số tổn thất mỏi ሾ ܦ ሿ Tỷ số tổn thất mỏi cho phép D T Tỷ số tổn thất mỏi tích luỹ trong thời gian T f (D T ) Mật độ xác suất của D T ߛ Hệ số an toàn về mỏi a m Chiều sâu của vết nứt N số chu trình ứng suất theo đường cong S-N C, m ∆ ௄ C, m các thông số theo quy tắc Paris Hệ số cường độ ứng suất tại điểm nóng bị phá hủy mỏi ܲ , ሾ ܲ ሿ Độ tin cậy và độ tin cậy cho phép của kết cấu ܲ ௙ , ൣ ܲ ௙ ൧ Xác suất phá hủy và xác suất phá hủy cho phép ߚ ௧௞ , ሾ ߚ ሿ Chỉ số độ tin cậy tính toán và chỉ số độ tin cậy cho phép ܲ ஻ Độ tin cậy theo điều kiện bền ܲ ௠ Độ tin cậy theo điều kiện mỏi ܲ ௠் Độ tin cậy theo điều kiện mỏi ở thời điểm T năm -x - ܲ ஻்௢௧ Độ tin cậy theo điều kiện bền tổng thể ܲ ௠்௢௧ Độ tin cậy theo điều kiện mỏi mở rộng ߟ ( ௧ ) Mặt cắt bề mặt sóng biển (Profile sóng ) T z Chu kỳ trung bình cắt không T c Chu kỳ trung bình của các đỉnh sóng cực đại (H max ) H, H s , H max Chiều cao sóng, chiều cao sóng đáng kể, chiều cao sóng cực đại ܵ ఎఎ ( ߱ ) Phổ sóng ߝ Thông số bề rộng dải phổ ( ) x x v v S ω ( ) y y v v S ω Phổ vận tốc của phần tử nước theo phương x và phương y ( ) x x a a S ω ( ) y y a a S ω Phổ gia tốc của phần tử nước theo phương x và phương y F (t) Tải trọng sóng tác động lên kết cấu tính theo công thức Morison F D (t) Thành phần lực cản của tải trọng sóng F I (t) Thành phần quán tính của tải trọng sóng ߩ Mật độ nước biển C D Hệ số cản vận tốc C M Hệ số nước kèm C I Hệ số quán tính ݒ , ݒ ሶ Vận tốc và gia tốc của phần tử nước ܵ ிி ( ߱ ) Phổ tải trọng sóng lên phần tử kết cấu ݑ , ݑ ሶ , ݑ ሷ Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của vật cản ߜ ௩௫ Độ lệch chuẩn của thành phần vận tốc ݒ ௫ K,U (t) , F (t) Ma trận độ cứng, véc tơ chuyển vị nút và véc tơ tải trọng quy về nút K đ Hệ số khuếch đại động ω Tần số dao động của sóng 1 ω Tần số của dạng dao động riêng thứ nhất của kết cấu T 1 Chu kỳ của dạng dao động riêng thứ nhất ε Hệ số cản của kết cấu khi dao động Φ (n * n) Ma trận các dạng dao động riêng của kết cấu [...]... quả nghiên cứu của luận án - Nhiệm vụ 2: nghiên cứu sự suy giảm độ tin cậy của kết cấu công trình biển cố định bằng thép theo điều kiện bền ở thời điểm kết cấu đã chịu tổn thất mỏi - Nhiệm vụ 3: nghiên cứu xác định độ tin cậy của kết cấu công trình biển cố định bằng thép theo điều kiện mỏi có kể đến tổn thất mỏi của các cơn bão cực đại - Nhiệm vụ 4: xác định độ tin cậy tổng thể của kết cấu công trình. .. các kết luận ứng dụng Mục tiêu nghiên cứu của luận án; - Nghiên cứu xác định các phản ứng ngẫu nhiên của kết cấu công trình biển cố định bằng thép (nội lực và ứng suất ngẫu nhiên) do tác động của sóng biển - Nghiên cứu tổn thất mỏi ngẫu nhiên của kết cấu jacket do sóng biển gây ra - Xác định độ tin cậy của kết cấu theo các điều kiện bền và mỏi - Nghiên cứu sự suy giảm theo thời gian của độ tin cậy do. .. kể đến ảnh hưởng của tổn thất mỏi và tổn thất mỏi do bão cực hạn gây ra -3 - Cấu trúc của luận án: Mở đầu Chương 1: Tổng quan về các phương pháp đánh giá an toàn kết cấu chân đế công trình biển cố định bằng thép (Jacket) Chương 2: Đánh giá an toàn của kết cấu jacket công trình biển cố định dựa trên tính toán bền và mỏi truyền thống Chương 3: Phương pháp luận đánh giá mức suy giảm độ tin cậy theo thời. .. nghiên cứu và hoàn thành luận án với tên đề tài l : Nghiên cứu sự suy giảm độ tin cậy theo thời gian của kết cấu chân đế công trình biển cố định bằng thép do ảnh hưởng của tổn thất mỏi Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Luận án đề xuất một phương pháp mới dựa trên mô hình xác suất và lý thuyết độ tin cậy của kết cấu công trình để đánh giá an toàn và tuổi thọ mỏi cho các kết. .. công trình đến thời điểm đánh giá đã làm suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu và tổn thất mỏi do sóng biển trong trạng thái biển cực đại gây ra phải được kể đến cùng với tổn thất mỏi do trạng thái biển dài hạn tích luỹ trước đó Các ảnh hưởng thực tế nói trên làm suy giảm độ an toàn (độ tin cậy) và tuổi thọ của kết cấu theo thời gian Để đánh giá sự suy giảm độ tin cậy của kết cấu do các ảnh hưởng này,... thời gian của kết cấu jacket các công trình biển cố định Chương 4: Ví dụ ứng dụng Kết luận của luận án Phụ lục Luận án bao gồm 90 trang, 34 hình vẽ, 24 bảng biểu và phụ lục -4 - CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KẾT CẤU CHÂN ĐẾ CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP (JACKET) 1.1 Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép 1.1.1 Khái quát về công trình biển cố định bằng. .. sát, chương trình khảo sát và duy tu bảo dưỡng kết cấu Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án: Đối tượng nghiên cứu của luận án là kết cấu chân đế công trình biển cố định bằng thép dạng jacket chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên Phương pháp nghiên cứu của luận án: - Nghiên cứu phương pháp luận: nghiên cứu tìm hiểu phương pháp luận giải các bài toán truyền thống (bài toán bền, bài toán mỏi) từ đó chỉ... trình biển cố định bằng thép thì dạng công trình có kết cấu khối chân đế kiểu jacket là loại công trình phổ biến nhất và cũng là đối tượng nghiên cứu của luận án này Các công trình biển cố định bằng thép có cấu tạo gồm các phần chính như sau ( Hình 1.1 ): - Thượng tầng: khối thượng tầng của công trình biển cố định được cấu tạo bằng thép Quy mô của khối thượng tầng tùy thuộc vào mục đích xây dựng công trình. .. cấu công trình biển cố định bằng thép kiểu jacket 1.3.3 Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án Vấn đề nghiên cứu đã đặt ra ở trên được cụ thể hóa bằng 4 nhiệm vụ nghiên cứu chính (NV1, NV2, NV3, NV4) như theo sơ đồ sau: - Nhiệm vụ 1: đánh giá an toàn của kết cấu khối chân đế công trình biển cố định bằng thép theo độ tin cậy dựa trên điều kiện bền và điều kiện mỏi hiện hành làm cơ sở để đối chiếu với các kết. .. bằng thép Công trình biển cố định bằng thép là công trình biển có kết cấu khối chân đế bằng thép được gọi là kiểu jacket có liên kết cố định với đáy biển bằng móng cọc tại vị trí khai thác công trình Ứng dụng nhiều nhất của công trình biển cố định bằng thép là trong ngành khai thác dầu khí biển, ngoài ra còn được dùng phục vụ mục đích quân sự và dịch vụ hậu cần ngoài khơi Trong các loại kết cấu công trình . gây ra - Xác định độ tin cậy của kết cấu theo các điều kiện bền và mỏi. - Nghiên cứu sự suy giảm theo thời gian của độ tin cậy do kể đến ảnh hưởng của tổn thất mỏi và tổn thất mỏi do bão cực. sự suy giảm độ tin cậy của kết cấu do các ảnh hưởng này, tác giả đã tiến hành nghiên cứu và hoàn thành luận án với tên đề tài là: Nghiên cứu sự suy giảm độ tin cậy theo thời gian của kết cấu. TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP (JACKET) 1.1. Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép 1.1.1. Khái quát về công trình biển cố định bằng thép Công trình biển cố định bằng thép