Tính toán tai trong tac dung lên dàn khoan

Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Chương TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN CƠNG TRÌNH NGỒI KHƠI 2.1 Sóng biển Sóng bề mặt đại dương hình thành nhiều nguyên nhân như: gió, động đất, thủy triều, khí áp… sóng gió loại sóng xảy thường xun có tác động lớn đến cơng trình biển Vì thế, thiết kế xây dựng cơng trình ngồi khơi cần xét đến tác động sóng gió, đặc biệt gió bão gây nên Sóng gió thường sóng khơng đều, ngắn, có tính ngẫu nhiên có đặc tính thay đổi theo thời gian khơng gian Hướng sóng ln thay đổi hướng ln phù hợp với chiều gió, trừ trường hợp sóng lừng, sóng nằm ngồi phạm vi tác động trực tiếp trường gió gió chuyển hướng Trong nghiên cứu sóng biển, thường phải xem xét hai loại sóng sóng sóng khơng Đối tượng chủ yếu sóng mặt gió, có chu kỳ khoảng từ đến 25 giây Sóng sóng có chiều cao sóng chu kỳ sóng (hoặc chiều dài sóng) khơng đổi độ sâu nước định Sóng khơng có chiều cao chu kỳ khác thường xuất thực tế Các yếu tố sóng khơng biến đổi theo thời gian không gian, không ổn định Đối với sóng đều, có nhiều lý thuyết sóng khác áp dụng cho trường hợp cụ thể tùy thuộc vào điều kiện xuất mức độ xem xét đặc trưng dạng sóng, chẳng hạn lý thuyết sóng tuyến tính (linear wave theory), lý thuyết sóng Cnoidal (sóng nước nơng), lý thuyết sóng đơn, lý thuyết sóng đơn giản (sóng điều hòa sóng hình sin), lý thuyết sóng Stokes (sóng nước sâu), lý thuyết sóng hàm số dòng (Stream Function Theory)… Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi II-1 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Hình dạng mặt cắt sóng theo lý thuyết sóng thể Hình 2.1 Hình 2.1: Hình dạng sóng có chu kỳ số sóng Hình 2.2: Phạm vi sử dụng lý thuyết sóng Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi II-2 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Hình 2.2 thể phạm vi ứng dụng lý thuyết sóng Các lý thuyết sóng sử dụng nhiều tính tốn cơng trình biển phụ thuộc vào điều kiện cụ thể sau: - Lý thuyết sóng Airy (lý thuyết sóng tuyến tính): sử dụng vùng nước có độ sâu khác - Lý thuyết sóng Stokes (lý thuyết sóng có biên độ hữu hạn, từ bậc đến bậc 5): thích hợp với vùng nước có độ sâu nước hữu hạn - Lý thuyết sóng Cnoidal (bậc đến bậc 3): thích hợp với sóng lan truyền vùng nước nơng Hình 2.3: Các lý thuyết sóng Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi II-3 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Nếu sử dụng lý thuyết sóng có biên độ hữu hạn, việc xác định lý thuyết sóng cụ thể cần thiết Thông thường, lý thuyết sóng Stokes sử dụng cho vùng nước sâu; lý thuyết sóng Cnoidal sử dụng cho vùng nước nơng Một cách cụ thể hơn, ta cần tính toán tham số Urshell U r  HL2 D  Nếu U r nhỏ 25, lý thuyết sóng Stokes áp dụng Và ngược lại, U r lớn 25, lý thuyết sóng Cnoidal áp dụng 2.2 Sóng Các lý thuyết sóng thường gần đúng, miêu tả tốt tượng sóng điều kiện định, thỏa mãn giả thiết đặt Lý thuyết sóng biên độ nhỏ hay lý thuyết sóng tuyến tính lý thuyết sóng Lý thuyết đề xuất Airy (năm 1845) nên gọi sóng Airy, dễ sử dụng cho độ gần hợp lý phạm vi rộng đại lượng sóng Đối với sóng dao động lớn (hữu hạn) cần dùng lý thuyết sóng có biên độ lớn với độ xác bậc cao so với lý thuyết sóng tuyến tính Mặc dù có hạn chế định ứng dụng lý thuyết tuyến tính có ích, giả thiết dùng cho việc triển khai lý thuyết đơn giản có tính hợp lý định dùng làm sở cho nhiều nghiên cứu sóng 2.2.1 Các đặc trưng sóng Các đặc trưng sóng đường mặt sóng  , tốc độ truyền sóng C, chiều dài sóng L, tốc độ nhóm sóng C g , tốc độ phân tử nước u, w, gia tốc phân tử nước a x , a z , dịch chuyển phân tử nước  ,  , áp lực sóng Q trình truyền sóng biểu diễn biến số x (theo không gian) t (theo thời gian) kết hợp hai, định nghĩa   kx  t , với k  mơ tả phần sau  có giá trị khoảng từ đến 2 Hình 2.4 biểu diễn đặc trưng sóng sóng tiến đơn giản tiến qua điểm cố định đại dương Một cách đơn giản, sóng chu kỳ có hình dạng cố định truyền theo phương ngang mơ tả thơng qua chiều cao sóng H , chiều dài sóng L độ sâu nước d Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi II-4 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Hình 2.4: Định nghĩa yếu tố sóng tiến đơn giản hình sin Như Hình 2.4, điểm cao sóng đỉnh sóng điểm thấp bụng sóng Đối với sóng tuyến tính sóng có biên độ nhỏ, chiều cao đỉnh sóng phía mực nước tĩnh (SWL) bụng sóng phía mực nước tĩnh với biên độ sóng a Do a  H , với H chiều cao sóng Thời gian để hai đỉnh bụng sóng tiến hai sóng liên tiếp truyền qua điểm cố định chu kỳ sóng T Chiều dài sóng L khoảng cách theo phương ngang hai điểm giống hệt hai đỉnh bụng sóng liên tiếp Ngồi ra, có tham số sóng khác tần số góc   2 T , số sóng k  2 L , vận tốc pha hay vận tốc truyền sóng C  L T   k 2.2.2 Lý thuyết sóng tuyến tính (Sóng Airy) 1) Giới thiệu: Các lý thuyết sóng thường gần đúng, miêu tả tốt tượng sóng điều kiện định, thỏa mãn giả thiết đặt Lý thuyết sóng biên độ nhỏ hay lý thuyết sóng tuyến tính lý thuyết sóng Lý thuyết đề xuất Airy (năm 1845) nên gọi sóng Airy, dễ sử dụng cho độ gần hợp lý phạm vi rộng đại lượng sóng Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi II-5 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Để mơ chuyển động sóng mặt, ta thường giả thiết chuyển động chất lỏng khơng xốy, khơng chịu nén khơng có ma sát Dựa vào đó, ta tính chuyển động chất lỏng sóng, từ tính lực quán tính tác dụng lên vật rắn nằm chất lỏng (phương trình Morison) Lý thuyết sóng Airy coi hình dạng mặt sóng có dạng hình sin, chiều cao sóng H nhỏ so với chiều dài sóng L độ sâu nước d Kết tính bỏ qua đại lượng vơ bé bậc trở lên nên sóng Airy gọi sóng tuyến tính, hay sóng bậc Hình 2.5 thể thơng số sóng tuyến tính hệ tọa độ Hình 2.5: Các thơng số sóng tuyến tính Độ lệch mặt sóng  khoảng cách từ bề mặt sóng đến mực nước tĩnh hàm số theo x t Tại vị trí đỉnh sóng, độ lệch mặt sóng với biên độ sóng a nửa chiều cao sóng H Phương trình động lực học sóng phương trình Laplace, dựa ngun tắc bảo tồn khối lượng  2  (2.1) Đây gọi hàm vận tốc Thế vận tốc hàm có gradient (ví dụ tỷ lệ thay đổi  liên quan đến tọa độ theo phương ngang x theo phương thẳng đứng z) điểm chất lỏng vector vận tốc Do đó: u  x (2.2) w  z (2.3) Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi II-6 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo  có đơn vị bình phương chiều dài chia cho thời gian ( m s ) Nếu  ( x, z, t ) xác định tìm thành phần vận tốc phần tử nước u w 2) Vận tốc sóng, chiều dài chu kỳ sóng: Vận tốc sóng C (hay vận tốc pha) vận tốc hình dạng sóng truyền Vì qng đường mà sóng chu kỳ chiều dài sóng, vận tốc sóng tính sau: C L T (2.4) Vận tốc sóng theo chiều dài sóng chiều sâu nước tính sau: C gL  2d  tanh  2  L  (2.5) Phương trình (2.5) viết lại sau: C gT  2d  tanh  2  L  (2.6) Các giá trị 2 L 2 T gọi số sóng k tần số góc sóng  Kết hợp phương trình (2.4) (2.6) ta có: L gT  2d  gT tanh tanhkd   2  L   (2.7) Trong phương trình (2.7), chiều dài sóng L xuất hai vế phương trình Do đó, sử dụng giá trị gần để tính tốn: gT L 2  4 d  tanh   T g (2.8) Chiều dài sóng ứng với vùng nước sâu: L0  gT 2 Chương 2: Tải trọng tác dụng lên công trình ngồi khơi (2.9) II-7 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Có thể dùng L0 làm giá trị ban đầu để tính lặp phương trình (2.7), dùng thuật giải lặp để tìm giá trị chiều dài sóng Bảng 2.1 dùng để phân loại sóng theo độ sâu tương đối d L Bảng 2.1: Phân loại sóng nước Phân loại Nước sâu Vùng trung gian Nước nông d/L kd tanh(kd) 1/2 đến   đến  1 1/20 đến 1/2 /10 đến  tanh(kd) đến 1/20 đến /10  kd Trong vùng nước sâu, tanh(kd) tiến đến 1, đó, phương trình (2.4) (2.5) trở thành: C0  gL0 L0  2 T (2.10) Và phương trình (2.6) trở thành: C0  gT 2 (2.11) 3) Đường mặt sóng hình sin (profile sóng): Đường mặt sóng biểu diễn dạng:   a coskx  t   H  2x 2t  cos    a cos  T   L (2.12) 4) Các công thức hữu dụng: Chia phương trình (2.6) cho (2.11) chia (2.7) cho (2.9) ta được: C L  2d    tanh   kd C0 L0  L  (2.13) Nếu nhân hai vế phương trình (2.13) với d/L trở thành: d d  2d  d  tanh   kd L0 L  L  L Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi (2.14) II-8 Cơng trình khơi Nguyễn Danh Thảo 5) Vận tốc gia tốc phần tử nước: Thành phần vận tốc hạt nước theo phương ngang phương thẳng đứng xác định sau (với , x, t định nghĩa Hình 2.4): u  H gT cosh2 ( z  d ) / L  cos  x L cosh(2d / L) (2.15) w  H gT sinh2 ( z  d ) / L  sin  z L cosh(2d / L) (2.16) Gia tốc phần thử nước tính cách lấy đạo hàm phương trình (2.15) (2.16) theo thời gian: u gH cosh2 ( z  d ) / L  sin  t L cosh(2d / L) (2.17) w gH sinh2 ( z  d ) / L  cos  t L cosh(2d / L) (2.18) x  z  Các giá trị dương âm biểu thức tính gia tốc ứng với giá trị  khác thể Hình 2.6 Theo phần tử nước đỉnh sóng di chuyển theo hướng truyền sóng quay ngược trở lại chân sóng Hình 2.6: Vận tốc gia tốc phần tử nước Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi II-9 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo 6) Sự dịch chuyển phần tử nước: Trong lý thuyết sóng tuyến tính, yếu tố quan trọng khác cần khảo sát dịch chuyển phần tử nước theo phương Các phần tử nước dịch chuyển theo quỹ đạo hình elip vùng nước nơng vùng có độ sâu nước trung gian, theo quỹ đạo hình tròn khu vực nước sâu Do vậy, với giả thiết chiều cao sóng nhỏ, dịch chuyển phần tử nước so với vị trí cân nhỏ Dịch chuyển phần tử nước theo phương ngang  phương đứng  so với vị trí cân tính theo cơng thức:   HgT cosh2 ( z  d ) / L sin  4L cosh(2d / L) (2.19)   HgT sinh2 ( z  d ) / L cos  4L cosh(2d / L) (2.20) Hình 2.7: Dịch chuyển phần tử nước từ vị trí cân vùng nước nơng nước sâu Đơn giản phương trình cách sử dụng quan hệ: Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi II-10 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Dùng phép phân tích số dùng máy tính để tính tốn ứng với giá trị 𝜔𝑡 khác để tìm giá trị cực đại F độ lệch mặt sóng Từ dễ dàng tính momen tải trọng sóng cánh tay đòn hợp lực Đáp số: Fmax  223.9( KN ) , M  3991( KN m) , cánh tay đòn b  17.8(m) Sự ảnh hưởng đường kính trụ: Phạm vi ứng dụng Phương trình Morison hạn chế trường hợp đường kính cột nhỏ so với chiều dài sóng tới ( D L nhỏ) Và vậy, ảnh hưởng ngược lại tháp trụ đến thông số sóng nhỏ bỏ qua Tuy nhiên, đường kính trụ sánh với chiều dài sóng tỷ số chiều cao sóng đường kính cột bé Theo cơng thức (2.67), thành phần vận tốc tải trọng sóng khong đáng kể Như vậy, trường hợp cần phải xét đến ảnh hưởng đường kính trụ, cần xét đến thành phần tải trọng quán tính đủ Các vấn đề nghiên cứu sở lý thuyết sóng biên độ nhỏ với giả thiết cột không chuyển động Theo lý thuyết nhiễu xạ sóng, trường hợp đường kính tháp lớn, ảnh hưởng tháp đến thơng số sóng thể qua việc thay đổi hệ số thành phần lực cản qn tính phương trình Morison, dẫn đến tượng lệch pha Hình 2.11: Biểu đồ liên hệ hệ số CM, góc lệch pha  D/L Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi II-27 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Biểu thức tải trọng sóng phân bố trụ thẳng đứng sóng gây nên: f    CM D  H coshkd  sin .t    sinh kx (2.70) Với  góc lệch pha ảnh hưởng tháp trụ Vì sóng bị biến dạng chất lỏng phải chảy vòng quanh trụ tháp nên hệ số lực cản quán tính C M góc lệch pha  thay đổi phụ thuộc vào tỷ số D L Hình 2.11 2.3.2 Tải trọng sóng tác dụng lên trụ tròn xiên Việc sử dụng phương trình Morison vật cản hình trụ đặt xiên vấn đề quan trọng nghiên cứu để xác định tải sóng tác dụng lên liên kết ngang trụ xiên giàn khoan biển cố định thép Trước hết, ta phân tích vận tốc, gia tốc hạt chất lỏng thành thành phần pháp tuyến, tiếp tuyến so với trục ống trụ Tải trọng sóng phân bố theo đơn vị chiều dài tính tốn theo công thức Morison với thành phần vận tốc quán tính theo phương pháp tuyến Quan niệm thể tương tự trụ thẳng đứng cơng thức (2.55), có mặt thành phần vận tốc pháp tuyến Tải trọng sóng lên xiên có hướng pháp tuyến trục Tuy nhiên, để đơn giản hóa cho phép tính tốn thực hành, tải trọng thể qua thành phần theo phương ngang phương đứng z  x y  Hình 2.12: Trụ tròn xiên có vị trí không gian theo hệ tọa độ cực Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi II-28 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Xét phần tử xiên không gian với hệ tọa độ cực xyz hình vẽ với hướng sóng lan truyền theo phương x Chuyển động hạt nước đặc trưng thành phần nằm ngang thẳng đứng u, w thành phần gia tốc tương ứng a x , a z Thành phần vận tốc theo phương pháp tuyến với trục ống trụ có dạng:   2 u n  u  w  C x u  C z w (2.71) Các thành phần theo phương x, y, z: u nx  u  C x C x u  C z w u ny  C y C x u  C z w (2.72) u nz  w  C z C x u  C z w C x  sin  cos  Với: C y  sin  sin  (2.73) C z  cos  Các thành phần gia tốc hạt nước, pháp tuyến với ống trụ: a nx  a x  C x C x a x  C z a z  a ny  C y C x a x  C z a z  (2.74) a nz  a z  C z C x a x  C z a z  Sau có biểu thức thành phần vận tốc, gia tốc, xây dựng phương trình Morison thành phần tải trọng sóng phân bố tác dụng lên vật cản hình trụ xiên đặt   D  .anx f x   C D D.u n u nx   C M    (2.75)   D  .any f y   C D D.u n u ny   C M    (2.76)   D  .anz f z   C D D.u n u nz   C M    (2.77) Tổng tải trọng sóng lên đơn vị chiều dài trụ: f   f x2  f y2  f z2 Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi (2.78) II-29 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Trong đó, dấu tải trọng tổng cộng   phụ thuộc vào dấu (chiều) f x , f y , f z  Đối với phần tử tương đối ngắn (như liên kết ngang cơng trình): Ta xem đặc trưng chuyển động sóng thay đổi không đáng kể từ đầu sang đầu phần tử Có thể sử dụng giá trị trung bình u, w, a x a z Khi đó, thành phần tải trọng sóng tính sau: Fx  f x L ; Fy  f y L ; Fz  f z L (2.79) Với L chiều dài phần tử  Đối với trường hợp khác: Khi vận tốc gia tốc phần tử thay đổi đáng kể theo chiều dài ống trụ, thành phần tải trọng sóng tác động lên phần tử cách lấy tích phân: Fx   f x dS ; Fy   f y dS ; Fz   f z dS S S S (2.80) Trong đó: S khoảng cách dọc theo trục phần tử Việc tích phân thực phần chiều dài phần tử chịu tác động sóng Ví dụ 1: 13.5m 450 z x 15m y 15m Hình 2.13: Mặt trước kết cấu chân đế giàn khoan Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi II-30 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Xác định tải trọng sóng tác dụng lên phần tử 1-2 mặt trước chân đế giàn khoan hình vẽ Giả thiết tác động sóng phân bố chiều dài phần tử với giá trị vận tốc gia tốc chất lỏng sau: u  4.2m / s , w  1.2m / s , ax  1.2m / s , a z  1.8m / s Các giá trị tương ứng với độ cao mực nước biển 28.5m Đường kính phần tử 0.61m Giải: Từ hình vẽ, ta có góc xác định vị trí phần tử khơng gian:   900 ,  1350 Thay giá trị vào cơng thức (2.73) ta có: C x  , C y  0.707 , Cz  0.707 Theo cơng thức (2.72) (2.74) ta tìm thành phần vận tốc gia tốc chuyển động nước theo phương pháp tuyến với trục phần tử: unx  4.2m / s, uny  unz  0.6m / s anx  1.2m / s , any  anz  0.9m / s Tiếp theo, từ cơng thức (2.71) ta tìm giá trị vận tốc pháp tuyến với trục phần tử: un  4.28m / s , theo công thức (2.75), (2.76), (2.77), ta tính thành phần fx, fy , fz f x  6.34KN / m, f y  f z  0.26KN / m Trong tính toán ta lấy CD  ; CM  ;   1.026.103 kg / m3 ; D  0.61m Chiều dài phần tử nằm nước: L  13.5  19.1m Như vậy, thành phần tải trọng sóng phần tử xác định theo công thức (2.79) (với giả thiết đặc trưng chuyển động chất lỏng theo chiều dài phần tử không đổi) là: Fx  121KN ; Fy  Fz  5KN Theo hình 2.13, nhận thấy kết nhận với giá trị khác  , Ví dụ   900 ,  450 việc chọn chiều dương phần tử không quan trọng tính tốn tương tự Thật vậy, với giá trị  , Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi II-31 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo dấu C x , C z bị thay đổi giá trị vận tốc gia tốc vng góc với trục phần tử khơng thay đổi Điều có nghĩa giá trị tải trọng không thay đổi Điều với xiên nằm mặt trước mặt sau giàn khoan 2.3.3 Tải trọng sóng lớn tác dụng lên cơng trình Các biểu thức tính tải trọng sóng trụ thẳng đứng ống trụ có hướng áp dụng để tính cho phần tử khác cơng trình nhằm xác định tải trọng nằm ngang cực đại sóng điều hòa tác dụng lên tồn cơng trình  .H  1    D  Nếu trụ tháp thẳng đứng, ta sử dụng công thức: Fmax  Fi ,max Trường hợp trụ nằm gốc tọa độ x=0, ta sử dụng trực tiếp chúng để tính tải trọng thời điểm 𝜔𝑡 Trường hợp trụ nằm cách gốc tọa độ khoảng x0 cơng thức cần biến đổi để nhận tải trọng thời điểm 𝜔𝑡 Do chuyển động phần tử nước gây nên sóng phụ thuộc vào tham số (𝜔𝑡 − 𝑘𝑥) nên cần phải thay (𝜔𝑡 − 𝑘𝑥0 ), với k số sóng Tải trọng sóng nằm ngang tác dụng lên phần tử lại cơng trình (nghiêng ngang) xác định cách lấy tích phân giá trị f x , f y , f z công thức (2.75), (2.76), (2.77) có xét đến thay đổi đặc trưng chuyển động chất lỏng theo chiều dài phần tử Tải trọng nằm ngang lớn tác dụng lên cơng trình có giá trị tổng tất tải trọng tác dụng lên phần riêng biệt cách khảo sát tải trọng tổng cộng theo biến 𝜔𝑡 Ví dụ 2: Một kết cấu giàn khoan đơn giản gồm trụ, nối liên kết ngang chéo, mặt (Hình 2.14) Hãy xác định tổng tải trọng sóng theo phương nằm ngang tác dụng lên giàn (theo lý thuyết sóng Airy) với thơng số sau đây: H = 6m; L = 90m; d = 24m, đường kính trụ D = 1,22m, đường kính phần tử liên kết D’ = 0,61m Giả thiết C D  ; C M  Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi II-32 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Hình 2.14: Kết cấu chân đế giàn khoan (a) Mặt bên, (b) Mặt trước Tải trọng sóng nằm ngang lớn xác định cách tính tốn với giá trị khác .t Để đơn giản hóa việc tính tốn, ta sử dụng lý thuyết sóng Airy Với trụ thẳng đứng, sử dụng công thức (2.59), (2.60), (2.61) Khi trụ nằm mặt cắt x = (tức trụ 1-3), tải phụ thuộc vào .t Khi tính cho trụ 4-6 (x = 15m) thời điểm .t tải sóng phụ thuộc .t  k.x Cụ thể: - Trụ 1-3: x = 0; k  0.07m 1 ;   0.8rad / s ; H = 6m;   1026kg / m ; d = 24m F13  1.92sinh 2kz  2kz  25.4 sinh kz.sin .t  cos.t  cos.t  Với: z    d  24  3cos.t  - Trụ -6: F46  1.92sinh 2kz  2kz  25.4 sinh kz.sin .t  15k  cos.t  15k  cos.t  15k  Với: z    d  24  3cos.t 15k  Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi II-33 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Vậy tải trọng tính cho trụ đứng là: F  2F13  F46  Với 𝜔𝑡 = 6, giá trị tổng tải trọng sóng tác dụng lên trụ đứng là: F  267.5  69.5  274KN Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi II-34 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo 2.4 Tải trọng gió tác dụng lên cơng trình ngồi khơi Gió biển ngồi khơi thường có tính chất phức tạp Đối với cơng trình ngồi khơi, gió tác dụng lên phần cơng trình phía mặt nước, bao gồm thiết bị, khu nhà sinh hoạt, giàn thao tác,… Nhằm đơn giản hóa cho tính tốn, gió biển thường xem bất biến theo thời gian, có vận tốc trung bình với vận tốc dòng gió rối Nhờ đó, tác động gió lên kết cấu phần cơng trình ngồi khơi đại diện lực trung bình, thường chiếm tỷ lệ khoảng đến 10% tổng hợp lực mơi trường biển tác động lên cơng trình 2.4.1 Vận tốc gió Tải trọng gió tác dụng lên phần giàn khoan phụ thuộc vào: - Hình dạng giàn khoan - Diện tích phần tử kết cấu giàn khoan - Vận tốc gió + Vận tốc gió khu vực khai thác phải phân tích từ tài liệu đo gió hàng ngày (tại trạm quan trắc khí tượng gần nhất) + Vận tốc gió tính tốn lấy phụ thuộc vào vận tốc gió 10m tính từ mặt đất (Trên biển: Tính từ MNTB) + Vận tốc gió độ cao khác tính theo cơng thức sau đây:  z 7 V  V0    10  (2.81) Với V vận tốc gốc độ cao z; V0 vận tốc gió độ cao h=10m Trong trường hợp khơng có tài liệu gió khu vực giàn khoan mà phải lấy số liệu khu vực lân cận, cần lấy tăng giá trị thêm 10% để tăng độ an tồn Chẳng hạn gió bờ vịnh Mexico có vận tốc V0  60m / s Trên mặt nước phạm vi bán kính R = 10km xung quanh đó, cần lấy V0  66m / s Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi II-35 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo 2.4.2 Tải trọng gió Tổng tải gió tác dụng lên phần giàn khoan tính gộp từ tải trọng gió tác dụng lên phần riêng rẽ Xét trường hợp tác động gió theo hướng diện Tải trọng gió qui ước ma sát nhớt dòng khơng khí thổi qua vật cản độ chênh áp lực p mặt trước mặt sau vật xác định theo công thức thực nghiệm sau đây: F C D AV (KN) (2.82) Với  khối lượng riêng khơng khí; A diện tích mặt hứng gió vật cản; V vận tốc gió trung bình tính tốn độ cao z; CD hệ số cản không thứ nguyên, phụ thuộc vào hình dạng vật cản hệ số nhớt động học khơng khí CD hàm số theo số Reynolds Re Re  VD  Trong đó,  hệ số nhớt động học Trong thực tiễn tính tốn lực gió tác động lên cơng trình ngồi khơi, gió có hướng vng góc với trục dọc phân tố, để đơn giản hóa, người ta thường sử dụng cơng thức: F  0.539 x10 3 xC D AV (KN) (2.83) Hệ số cản CD lấy theo Bảng 2.7 sau: Bảng 2.7: Hệ số cản CD Loại Vật Cản CD Dầm tiết diện vuông 1.5 Tường phẳng 1.5 Ống trụ tròn 0.5 Phần nhơ lên giàn 1.0 Trường hợp vật thể nghiêng so với hướng gió, tải trọng gió tính theo cơng thức: F C D AV cos  Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi (2.84) II-36 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Lúc diện tích A cos  hình chiếu mặt cản gió lên phương vng góc hướng gió Còn tốc độ gió khơng thay đổi Tải trọng gió phần tử riêng biệt phân tích thành thành phần: - Theo phương nằm ngang ( trục Ox) - Theo phương thẳng đứng ( trục Oz) Fz F α Fx O θ Hình 2.15: Lực gió tác dụng lên trụ tròn nghiêng Để xác định điểm đặt lực, chọn tìm momen M điểm chọn tùy ý từ tải trọng thành phần tác dụng lên phần tử riêng biệt Giả thiết thành phần lực phân bố theo chiều dài phần tử Tổng momen  M1 M2 tương ứng thành phần tải trọng gió nằm ngang thẳng đứng xác định momen từ tải trọng thành phần, tác dụng lên tất phần tử riêng lẻ Khoảng cách nằm ngang thẳng đứng từ điểm chọn túy ý đến điểm đặt thành phần lực Fx , Fz xác định theo công thức: Dx  M2 ;  Fz Dz   M1  Fx (2.85) Ví dụ tính tốn: 1) Ví dụ 1: Cho: vận tốc gió V=72m/s; tổng diện tích chắn gió phần A1=65m2; tổng diện tích giàn thao tác A2=37.5m2; diện tích khu nhà sinh hoạt A3=20m2 Xác định tải trọng gió theo phương ngang giàn khoan cho hình Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi II-37 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Hướng dẫn: Tra Bảng 2.7 tìm CD ứng với loại vật cản - Ứng với A1 có CD = 1.0 - Ứng với A2 A3 có CD = 1.5 Sử dụng cơng thức (2.83) tính cho F1, F2 F3 F  0.539 x10 3 xC D AV (KN) 2) Ví dụ 2: Các số liệu tương tự ví dụ Yêu cầu xác định thành phần nằm ngang thẳng đứng tải gió lên chống nghiêng số 1, có chiều dài 10m, đường kính D=0.6m đặt nghiêng 60 so với hướng gió F Fz 300 600 Fx Hướng dẫn: Áp dụng công thức (2.84): F C D AV cos  Ở đây: : khối lượng riêng khơng khí = 1.226 kg/m3 (15,560C) Chương 2: Tải trọng tác dụng lên công trình ngồi khơi II-38 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo C D  0.5 (Trụ tròn)   30  A  L.D  10 x0.6  6m Như ta có F  7.25KN Fx  F cos   6.29KN Fz  F sin   3.62KN Từ thành phần Fx, Fy tác dụng lên nghiêng, xác định momen điểm Giả sử đầu thanh, momen thành phần nằm ngang Fx gây ra: M  Fx L sin 60  47.1KNm M  Fz L cos 60  15.75KNm Cả hai momen quay theo chiều kim đồng hồ 2.5 Tải trọng dòng chảy tác dụng lên cơng trình ngồi khơi Dòng chảy biển bao gồm dòng thủy triều, dòng chảy gây gió, dòng hải lưu (dòng chảy thường xuyên) dòng chảy gây động đất, núi lửa, v.v Xét đặc trưng chuyển động, dòng chảy thuộc loại chuyển động đồng khối lượng nước Thơng thường, dòng chảy xét đến tính tốn cơng trình biển có liên quan với thủy triều nước dâng gió Trong hai trường hợp, dòng chảy thường giả định dòng chảy theo phương ngang thay đổi theo độ sâu Các lực tác dụng dòng chảy lên cơng trình khơi chủ yếu lực cản thủy động Đây đại lượng phi tuyến vận tốc nên khơng thể tính tốn tổng hợp lực cản lên cơng trình cách cộng lực cản dòng chảy riêng lẻ gây nên Trong số trường hợp, lực ngang lực nâng dòng chảy gây gây tượng cộng hưởng cho cơng trình, làm cho cơng trình ổn định tự dao động Độ lớn hướng dòng chảy triều lên bề mặt thường xác định cách đo đạc từ thực tế Ngược lại, dòng chảy từ gió thơng thường lại tính tốn Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi II-39 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Sự thay đổi vận tốc dòng chảy triều theo độ sâu xác định biểu thức:  z 7 U tr  u 0,tr   h Sự thay đổi vận tốc dòng chảy gió có dạng bậc z U gi  u 0, gi   h Hình 2.16: Biểu đồ phân bố vận tốc dòng chảy (1) Do thủy triều; (2) Do gió Lưu ý: - Hướng dòng chảy thủy triều khơng trùng với hướng lan truyền sóng - Hướng dòng chảy từ gió dâng ln ln trùng với hướng lan truyền sóng Hình 2.17: Hướng dòng chảy Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi II-40 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo - Sóng mặt có dòng chảy khác hẳn so với sóng khơng có dòng chảy, khác phụ thuộc vào tỷ số vận tốc dòng chảy vận tốc lan truyền sóng Trường hợp gió bão lớn, tỷ số nhỏ bỏ qua ảnh hưởng dòng chảy đến sóng Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi II-41 ... nước d Kết tính bỏ qua đại lượng vô bé bậc trở lên nên sóng Airy gọi sóng tuyến tính, hay sóng bậc Hình 2.5 thể thơng số sóng tuyến tính hệ tọa độ Hình 2.5: Các thơng số sóng tuyến tính Độ lệch... sóng tác dụng lên cơng trình ngồi khơi Trong tính tốn tải trọng sóng tác dụng lên cơng trình biển, kết cấu xem có vị trí cân Lực sóng tác dụng lên kết cấu tính theo hai phương pháp riêng biệt phụ... tác dụng lên cơng trình khơi g a2 (2.44) (2.45) (2.46) (2.47) II-14 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Bảng 2.2: Tóm tắt đặc tính sóng tuyến tính (Airy) Chương 2: Tải trọng tác dụng lên cơng