tinh toán Tinh lực dàn khoan

Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Chương PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN TĨNH LỰC GIÀN KHOAN Trong chương này, đề cập đến phương pháp tính tốn tĩnh lực cơng trình ngồi khơi làm thép bêtông Đồng thời xem xét áp lực nước bên ngồi lên nhân tố dạng hình trụ cơng trình với phá hủy nút liên kết Chúng có giá trị đặc biệt từ hiệu ứng động lực học 3.1 Tải trọng tính tốn từ mơi trường xung quanh Phần lớn cơng trình ngồi khơi chịu tác động nguy hiểm điều kiện chịu gió bão cực đại (max) khu vực mà cơng trình xây dựng - Con sóng tính tốn thường dùng với tần suất 100 năm, tham số gió phải phù hợp với phương pháp nêu chương - Sóng bề mặt xác định tính tốn thống kê, thường đặc trưng chiều cao chiều dài lớn sóng điều hòa Bảng 3.1: Một số đặc trưng bão tính tốn chiều cao tĩnh không sàn khoan vùng bờ biển Mỹ Vùng Chiều cao sóng (m) Chiều dài sóng (m) Độ vượt cao sàn (m) Vận tốc gió bão (m/s) Vịnh Mêxico 21 250 14.5 45 Vịnh Alaska 18 240 17.0 45 Eo biển Bắc Barbara (Cali) 14 220 11.5 34 Chương 3: Phương pháp tính tốn tĩnh lực giàn khoan III-1 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo - Ngồi tham số sóng gió tính tốn nêu cần thiết phải xem xét đến yếu tố thủy triều khu vực cụ thể - Độ vượt cao sàn thiết kế phụ thuộc vào biên độ thủy triều (xem Bảng 3.1) - Cuối cùng, sở nghiên cứu điều kiện riêng, cần đánh giá vận tốc tính tốn dòng chảy, mà dòng chảy làm tăng thêm vận tốc chuyển động hạt nước sóng gây nên Dòng chảy gió bão tác động lên mặt nước đóng vai trò đặt biệt Trong số khu vực ven biển, dòng chảy có liên quan đến triều dâng dòng chảy cửa sơng có ý nghĩa 3.2 Tính tốn cơng trình thép Các cơng trình giàn khoan thép thềm lục địa thường có chân đế dạng hình tháp Hình dạng đặc trưng cơng trình thể Hình 3.1 Thường khối chân đế chế tạo bờ kéo biển đến vị trí xây dựng, dựng vào vị trí thẳng đứng cố định vào đất cọc thép ống đóng xuyên qua cột rỗng khối chân đế (KCĐ) Sau đó, phần kết cấu thượng tầng gồm sàn thiết bị lắp đặt lên KCĐ KCĐ thường chế tạo từ phần tử ống thép hình trụ cột đứng liên kết ngang Các cột đỡ thường thẳng đứng, trừ cột vòng ngồi thơng thường xiên để tạo nên phần mở rộng phía KCĐ nhằm làm tăng sức kháng cơng trình tải trọng ngang Thường độ xiên cột đỡ so với phương thẳng đứng không 100 Điều không gây khó khăn cho việc đặt KCĐ lên đáy biển Các cọc giữ dùng với hai mục đích: đảm bảo việc truyền tải trọng đứng khối thượng tầng xuống đất tạo ổn định cơng trình tác động tải trọng ngang Người ta thường sử dụng ống thép có đường kính 1.2m lớn chiều dày thành từ 25mm trở lên để làm cọc giữ Để tạo nên truyền lực đáng tin cậy đất biển, cọc giữ thường có chiều dài nằm đất khoảng 60m lớn tùy theo điều kiện địa chất công trình cụ thể Chương 3: Phương pháp tính tốn tĩnh lực giàn khoan III-2 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Hình 3.1: Giàn khoan thép cố định Về bản, tính tốn cơng trình giàn khoan thép, cần ý đến phận sau đây: Phần xây dựng phía phục vụ đội khoan Trụ chống thép Nền đáy biển Cọc gia cố móng Để đánh giá sơ ứng suất cấu kiện cơng trình đối xứng, cần xem xét hai trường hợp tải trọng sóng có hướng song song vng góc với mặt phẳng qua trục đối xứng cơng trình Khi sơ đồ tính tốn khung phẳng Hình 3.2 Có thể xét tới phần tử nằm hệ phẳng cách kể đến chúng xác định hợp lực tác động tải trọng phân bố quy đầu mút phần tử Dĩ nhiên cần có kết xác hơn, cần phải xét tốn ba chiều khơng gian với gió, sóng, dòng chảy tác dụng theo phương Các tính tốn tính tốn máy tính điện tử với việc tự động hóa hồn tồn q trình tính tốn tải trọng xác định phản ứng cơng trình chịu tác động lực Chương 3: Phương pháp tính tốn tĩnh lực giàn khoan III-3 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Hình 3.2: Sơ đồ tính tốn giàn khoan Ghi chú: (1) Nền đáy biển; (2) Chiều dài đoạn trụ tương đương; (3) Hướng lan truyền sóng; (4) Khung phẳng tính tốn Ứng suất phần tử cơng trình (tức kết cấu KCĐ) tính tốn cách xác cần xét đến tương tác cơng trình móng cọc Điều quan trọng trường hợp cơng trình tựa lên đất yếu, đầu cọc có chuyển vị góc xoay đáng kể Trong sơ đồ tính (Hình 3.2), cọc thay cọc tương đương phần tử bị ngàm đầu có đặc trưng độ cứng đầu (tại mức đáy biển) gần giống với đặc trưng cọc thật cắm vào đất Việc đưa phần tử cấu trúc vào sơ đồ tính KCĐ cho phép tiến hành tính tốn đồng thời cơng trình móng cọc Trong tính tốn thực hành, phần KCĐ giả thiết thay cọc tương đương ngàm vị trí cố định đầu cọc Vị trí ngàm cần tính tốn cụ thể dựa theo tiêu chuẩn, quy định liên quan (dựa theo chiều dài chịu uốn, chiều dài chịu nén) Lưu ý vấn đề tính tốn KCĐ thép xem xét thích hợp cho kết cấu có dạng hình tháp Sau tính tốn xác định kích thước cấu kiện phù hợp trọng tải mơi trường xung quanh, cần tính tốn kiểm tra sức chịu tải trình vận chuyển lắp Chương 3: Phương pháp tính tốn tĩnh lực giàn khoan III-4 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo đặt cơng trình biển Trong trình này, trụ đặt nằm ngang Nội dung liên quan đến trình vận chuyển lắp đặt giàn khoan đề cập chương sau 3.3 Sự tăng ứng suất uốn dọc Nếu nhân tố cơng trình vừa chịu uốn vừa chịu nén dọc trục (điều thường xảy ra) ứng suất từ mơmen uốn xác định sở toán học xây dựng phương pháp ma trận trước chưa xác, mà cần phải có hiệu chỉnh ứng suất uốn cách kể thêm đến ảnh hưởng lực dọc Trường hợp cấu kiện chịu uốn kéo dọc trục đồng thời ứng suất nhận từ kết cần phải giảm so với trường hợp uốn dọc túy Ngược lại, cấu kiện chịu uốn nén dọc trục đồng thời ứng suất cần tính tốn hiệu chỉnh tăng thêm Lượng ứng suất pháp tăng thêm thông qua hệ số α ≥1 xác định sau:  Cm    N   th    (3.1) Với: N : Ứng suất pháp từ lực dọc trục (trường hợp chịu nén,  N  )  th : Ứng suất pháp tới hạn cấu kiện ổn định uốn dọc CM : Hệ số phụ thuộc vào dạng tải trọng có giá trị: 0.4  CM  Có thể lấy C M  cho tính tốn thiên an tồn Sự đánh giá xác ứng suất uốn dọc phần tử nối nút cứng khó khăn Ứng suất uốn dọc gây xác định theo công thức sau:  th   2E   L     r  (3.2) Với: E: Môđun đàn hồi; L: Chiều dài cấu kiện; Chương 3: Phương pháp tính tốn tĩnh lực giàn khoan III-5 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo r: Bán kính mặt cắt ngang phần tử;  : Hệ số chiều dài quy đổi (hay chiều dài tự phần tử), phụ thuộc vào liên kết hai đầu cấu kiện (tra theo Bảng 3.2) Bảng 3.2: Giá trị  Ở đây, xét số hình thức ổn định chịu uốn dọc Các liên kết lại tự chuyển vị tương đối đầu Đối với phần tử có đầu mút cố định (khử dịch chuyển ngang đáng kể đó), giá trị β nằm khoảng từ 0.5 đến tùy thuộc vào độ cứng liên kết nút cụ thể Vì vậy, dùng giá trị β = cho đánh giá thiên an toàn 3.4 Ứng suất trụ tròn thép chịu áp lực ngồi 3.4.1 Giả thiết ống trụ tròn tự (khơng liên kết) Xét ống trụ tròn có hai đầu tự Hình 3.3 Áp lực lên ống tròn tính sau: Áp lực: P  PR  Pr (3.3) Với: PR áp lực phía ngồi ống; Pr áp lực phía ống Chiếu lực lên phương thẳng đứng, ta có: Chương 3: Phương pháp tính tốn tĩnh lực giàn khoan III-6 Cơng trình khơi Nguyễn Danh Thảo  2N   L   Pr   sin  d dz  0 (3.4) Với  bề dày thành ống Hình 3.3: Sơ đồ tính tốn ứng suất trụ tròn tự Giả thiết thành ống mỏng (tức  r  Ta có: N   L.r.P (3.5) Lúc đó, ứng suất tiếp tuyến theo mặt cắt ngang ống:   N P.r  L.  (3.6) Ứng suất dọc trục: z    r P P.r  2 r 2 (3.7) Như vậy, thấy ống tự do, ứng suất tiếp tuyến theo chu vi ống có giá trị lớn gấp đơi ứng suất theo trục ống Quan hệ ứng suất biến dạng thành ống: Chương 3: Phương pháp tính tốn tĩnh lực giàn khoan III-7 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo z   z    E ;       z E (3.8) Trong đó,  z biến dạng dọc trục ống;   biến dạng theo chu vi ống; E mô đun đàn hồi vật liệu thép;  hệ số Poisson vật liệu Nếu ký hiệu L độ giãn dài ống, U r biến đổi chiều dày thành ống, thì: L L (3.9) 2 r  U r   2 r U r  2 r r (3.10) z    Ta nhận được: L   P.r.L 0.5   E. (3.11) Ur   P.r 1  0.5  E. (3.12) Ví dụ tính tốn: Cho giàn khoan Hình 3.4 với thơng số sau: đường kính ngồi ống 0.62m; ống dày 12mm Hãy xác định ứng suất biến dạng phát sinh phần tử 1-2 giàn khoan Xem phần tử 1-2 tự Lấy   10KN / m ,   0.26 Chương 3: Phương pháp tính tốn tĩnh lực giàn khoan III-8 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo L=10m Hình 3.4: Sơ đồ giàn khoan ví dụ Hướng dẫn: Áp lực thủy tĩnh tác dụng bên ống: PR   h0  Pa Ở đây:   10KN / m Xác định áp lực bên ngoài: P  PR  Pr   h0  10 x60  600KN / m  600KPA  0.6MPA Theo công thức (3.6) (3.7) dựa vào giá trị cho: r  0.3m ;   0.012m Như :    z   P.r   0.6 x0.3  15MPA 0.012 P.r 0.6 x0.3   7.5MPA 2 x0.012 3.4.2 Giả thiết ống trụ có liên kết Trong trường hợp ống trụ có liên kết, phần tử xem dầm chịu uốn Từ lý thuyết uốn dầm, ta có biến dạng theo phương sau: z  y d 2ur dz Chương 3: Phương pháp tính tốn tĩnh lực giàn khoan (3.13) III-9 Cơng trình khơi Nguyễn Danh Thảo   ur r (3.14) Hình 3.5: Dầm chịu uốn Trong đó, y khoảng cách tính từ mặt trung bình đến điểm xét E 1 v2  ur d 2u   vy 2r dz  r    (3.15) E z  1 v2  ur d 2ur  v  y dz  r    (3.16)    M    y. z dy  (3.17)  Thay giá trị  z vào biểu thức (3.17), ta có: M  d 2ur E. 12  v dz  (3.18) dM dz (3.19)  Q Với M, Q mômen lực cắt đơn vị diện tích dải trụ có kích thước dz.rd Chương 3: Phương pháp tính tốn tĩnh lực giàn khoan III-10 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Hình 3.6: Mơ men, lực cắt đơn vị diện tích dải có kích thước dz.r.d Giả sử: dQ  q dz (3.20) d 4ur E.  q 12  v dz (3.21) hay   Hình 3.7: Mặt cắt dải tính tốn Chiếu Hình 3.7 lên phương thẳng đứng ta có: q.r.d  P.r.d  N Hay q  P d N0 r (3.22) (3.23)  Ở đây, N     dy  (3.24)  Chương 3: Phương pháp tính tốn tĩnh lực giàn khoan III-11 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo N0  Hay E. U r  r (3.25) Phương trình biến dạng hướng tâm: d 4U r E. E. U r   P 12   dz  r   (3.26) Giải phương trình vi phân bậc với U r này, P  const , ta được: Ur  e  az P.r C1 cos z  C2 sin z   e C3 cos z  C4 sin z   E. az (3.27) Trong đó, C1 , C2 , C3 , C4 số tích phân  E.      4r D         2   r   Trường hợp liên kết đầu phần tử loại liên kết chống chuyển vị thẳng + xoay (liên kết ngàm) Ur  Điều kiện:  dU r 0 dz (3.28) Trường hợp nửa vô hạn (ngàm đầu): Khi z    C3  C  Khi z   Ur  dU r 0 dz P.r C1  C  E. Như vậy, chuyển vị hướng tâm là: Ur    P.r  e az cos z  sin z  E. (3.29) Từ đó, ứng suất xác định sau: z   P.r 3P.r 2  K az  e cos z  sin z  2 2 Chương 3: Phương pháp tính tốn tĩnh lực giàn khoan (3.30) III-12 Cơng trình ngồi khơi    Nguyễn Danh Thảo P.r P.r 2   az  e 1  3 K  cos z  1  3 K sin z  2 2  Trong đó, K     (3.31) Dấu “+”, “-“ đặc trưng cho biên ngoài, biên Lực cắt hướng tâm Q xác định theo công thức sau: d 3U r P2    az E. Q  e cos z 2 12   dz   Ứng suất dọc trục lớn y   z    (3.32) : 32    P.r  2  2        z (3.33) (3.34) Ứng suất tiếp lớn mặt trung hòa y  :  2   .P r     (3.35) 3.5 Tiêu chuẩn bền cấu kiện thép cơng trình ngồi khơi Thép có giới hạn chảy  280MPa , giới hạn bền khoảng 420MPa Yêu cầu ứng suất cấu kiện   chay Như vật liệu làm việc giai đoạn đàn hồi (biến dạng không tồn dỡ tải) Mục đích việc tính tốn xác định kích thước cấu kiện đảm bảo chịu tải trọng cho trước Như kích thước cấu kiện xác định từ điều kiện: Với tải trọng tính tốn, ứng suất cấu kiện khơng vượt giá trị cho phép Chương 3: Phương pháp tính tốn tĩnh lực giàn khoan III-13 Cơng trình khơi Nguyễn Danh Thảo Giá trị cho phép ứng suất pháp dọc trục  z ứng suất tiếp   cấu kiện cơng trình ngồi khơi xác định theo tiêu chuẩn ứng suất tiếp lớn độ lớn ứng suất liên quan đến áp lực bên Nếu xem ứng suất pháp dọc trục tổng ứng suất phân bố theo mặt cắt từ lực dọc  N từ mômen uốn  M tiêu chuẩn bền theo điều kiện làm việc mô tả sau: Khi    ;  z  (    ;  z  ) là: N    M   1  N   M     (3.36) Còn    ;  z  (    ;  z  ): N    M        N   M  (3.37) Với  N ,  M ,    ứng suất cho phép điều kiện chúng tác dụng riêng rẽ Những giá trị qui định phù hợp với giới hạn ứng suất chảy  T vật liệu, giá trị ứng suất pháp dọc trục tiêu chuẩn  Z , KP ứng suất tiếp tuyến tiêu chuẩn   , KP lúc chịu nén Khi cấu kiện ổn định hình dạng trụ ban đầu  Ứng suất dọc trục tiêu chuẩn (khi làm cho cấu kiện ổn định):  Z , KP  0.3E Với:  (3.38) r E: Module đàn hồi vật liệu; δ: Chiều dày thành ống trụ; r: Bán kính ống trụ  Khi ống bị biến dạng, ứng suất tiếp tiêu chuẩn xác định:     , KP  0.22 E   r Chương 3: Phương pháp tính tốn tĩnh lực giàn khoan (3.39) III-14 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Khi    ;  z  (tương ứng với trường hợp cấu kiện bị kéo túy): ổn định không xảy Các ứng suất cho phép  N ,  M ,    phụ thuộc vào giới hạn chảy  T vật liệu Chúng xác định nhờ hệ số dự trữ  N   0.6 T ;  M   0.67 T ;     0.5 T (3.40) Khi    ;  z  (tương ứng với trường hợp nén), ứng suất cho phép cần phải tính đến khả chịu uốn dọc cấu kiện Những giá trị ứng suất nhận Bảng 3.3 Bảng 3.3: Các giá trị ứng suất ƯS nén dọc trục tiêu chuẩn ƯS tiếp nén tiêu chuẩn       Z , KP  N   M  E T T T T ≥ 0,010 0.60 0.67 ≥ 4.00 0.50 0.008 0.55 0.65 3.00 0.48 0.006 0.50 0.61 2.00 0.45 0.004 0.50 0.56 1.00 0.38 0.002 0.41 0.46  0.50  , KP 0.50   , KP T 3.6 Tính tốn nút liên kết Hình 3.8: Nút liên kết sườn trụ Chương 3: Phương pháp tính tốn tĩnh lực giàn khoan III-15 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Khi tính tốn tải trọng gió sóng, ta xem nội lực sườn truyền sang thành trụ Như thiết phải xét khả chọc thủng thành trụ nội lực sườn gây Để đánh giá cách gần ứng suất tiếp tuyến xuất khả chọc thủng, bỏ qua độ cong trụ sơ đồ tính tốn xem phẳng có hình elip với hai trục tương ứng là: 2Rb sin  Rb Với Rb : Bán kính sườn (thanh nghiêng); : Góc nghiêng sườn Nếu ký hiệu f x thành phần nội lực pháp tuyến từ sườn, ứng suất tiếp thành ống lực dọc gây ra: N  fx  C (3.41) Với δ chiều dày thành trụ; C chiều dài đường viền mặt cắt ngang ống trụ (chu vi đường viền giao tuyến ống trụ) Tương tự, ký hiệu m mômen truyền từ sườn sang ống trụ (lấy mômen điểm sát với điểm nối phía trên), ứng suất tiếp tương ứng  m tính sau: M  m y ; với I   y ds  I C (3.42) Với y khoảng cách từ tâm Ellip Giá trị ứng suất đạt cực đại y   Rb sin  Tổ hợp giá trị ứng suất từ lực nén dọc trục N momen m, ta nhận giá trị giới hạn ứng suất tiếp xuất chọc thủng  N  1 fx 2 Rb 2 m  Rb2 (3.43)  ,  hệ số không thứ nguyên 1   Rb3 2 Rb ; 2  sin  I C Chương 3: Phương pháp tính tốn tĩnh lực giàn khoan (3.44) III-16 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo Các hệ số phụ thuộc vào độ nghiêng , chúng tìm thấy nhờ quan hệ hình học Giá trị tính tốn  ,  tra theo biểu đồ Hình 3.9 Hình 3.9: Giá trị hệ số  ,  Để đảm bảo liên kết nút không bị chọc thủng, giá trị ứng suất  p cần phải nhỏ ứng suất tiếp cho phép vật liệu ống trụ  p  0.4 T (3.45) 3.7 Sự phá hoại mỏi Trong thực tế, nút liên kết không bị phá hoại tượng chọc thủng, mà bị phá hoại vật liệu bị tích lũy biến dạng thường xuyên chịu ứng suất thay đổi Quá trình phá hoại gọi trình mỏi vật liệu Như vậy, phá hoại mỏi xảy ứng suất cấu kiện không vượt giới hạn chảy Chu kỳ thay đổi ứng suất cấu kiện cao cấu kiện nhanh bị phá hoại Tính chất mỏi vật liệu đặc trưng đường cong mỏi, số vòng lặp cần thiết N để xuất phá hoại mỏi vật liệu với biên độ dao động ứng suất cho trước Trong cơng trình khơi, thời gian khai thác tất phần tử chịu ứng suất thay đổi theo biên độ đó, tác động mơi trường xung quanh biến Chương 3: Phương pháp tính tốn tĩnh lực giàn khoan III-17 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo đổi có tính chất chu kỳ Mỗi chu kỳ thay đổi ứng suất làm tích lũy mỏi vật liệu cuối đến số lượng N chu kỳ đó, vật liệu bị phá hoại mỏi Điều kiện phá hoại mỏi: n n1 n2    m  N1 N Nm Với: (3.46) n1 : Số vòng thay đổi ứng suất với biên độ  ; n m : Số vòng biên độ xuất phá hoại mỏi Các giá trị N , N , N m xác định theo hướng cong mỏi Để sử dụng quan hệ nêu vào việc tính tốn mỏi cấu kiện giàn khoan, cần phải biết khái niệm thay đổi ứng suất theo thời gian khai thác cơng trình số chu trình thay đổi ứng suất Nếu gọi T thời gian tồn cấu kiện đến trước lúc phá hoại mỏi; C1 , C đoạn thời gian thuộc T mà xảy thay đổi trạng thái ứng suất  ,  Các giá trị n1 , n xác định sau: n1  C1 T T ; n2  C T1 T2 (3.47) T1 , T2 khoảng thời tương ứng với số chu kỳ thay đổi ứng suất có biên độ  ,  Đặt giá trị vào biểu thức ta được: C T C1T CT    m  N1T1 N 2T2 N mTm (3.48) Đây biểu thức điều kiện phá hoại mỏi Như để đánh giá khả phá hoại mỏi hay thời gian làm việc cơng trình, phải nắm quy luật phân bố chiều cao chu kỳ sóng thời gian cần thiết cơng trình Đối với sóng, cần xác định ứng suất dọc trục lớn đầu sườn nêu phần trước Những ứng suất lớn giá trị biên độ thay đổi ứng suất theo chu kỳ, hình thành từ tải trọng sóng, chu kỳ vòng lặp ứng suất chu kỳ sóng Chương 3: Phương pháp tính tốn tĩnh lực giàn khoan III-18 ... dọc trục lớn y   z    (3. 32) : 3 2    P.r  2  2        z (3. 33) (3. 34) Ứng suất tiếp lớn mặt trung hòa y  :  2   .P r     (3. 35) 3. 5 Tiêu chuẩn bền cấu kiện... dz (3. 21) hay   Hình 3. 7: Mặt cắt dải tính tốn Chiếu Hình 3. 7 lên phương thẳng đứng ta có: q.r.d  P.r.d  N Hay q  P d N0 r (3. 22) (3. 23)  Ở đây, N     dy  (3. 24)  Chương 3: Phương... tử 1-2 giàn khoan Xem phần tử 1-2 tự Lấy   10KN / m ,   0.26 Chương 3: Phương pháp tính tốn tĩnh lực giàn khoan III-8 Cơng trình ngồi khơi Nguyễn Danh Thảo L=10m Hình 3. 4: Sơ đồ giàn khoan