Đánh giá hiệu ứng động của tải trọng sóng lên kết cấu công trình biển cố định bằng thép áp dụng trong điều kiện việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG BÙI THẾ ANH ĐÁNH GIÁ HIỆU ỨNG ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG SĨNG LÊN KẾT CẤU CƠNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP - ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Biển Mã số: 58 02 03 LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội - Năm 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG BÙI THẾ ANH ĐÁNH GIÁ HIỆU ỨNG ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG LÊN KẾT CẤU CƠNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP - ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Biển Mã số: 58 02 03 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đinh Quang Cường Hà Nội - Năm 2019 LỜI CẢM ƠN Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Đinh Quang Cường tận tâm hướng dẫn giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án Ngoài kiến thức khoa học quý báu, thầy động viên, quan tâm hỗ trợ để tác giả vượt qua nhiều thời điểm khó khăn trình thực luận án Tác giả chân thành cảm ơn giúp đỡ quý báu đồng nghiệp Khoa Xây dựng Cơng trình biển Dầu khí - Đại học Xây dựng, Khoa Đào tạo Sau đại học Đại học Xây dựng, đóng góp ý kiến chuyên môn tạo điều kiện tốt để tác giả hoàn thành luận án Tác giả chân thành cảm ơn nhà khoa học, chuyên gia trường Đại học Xây dựng đóng góp ý kiến khoa học để tác giả hồn thiện luận án Tác giả cảm ơn gia đình, người thân tin tưởng, giúp đỡ cho tác giả thời gian qua Tác giả Bùi Thế Anh i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Nghiên cứu sinh Bùi Thế Anh ii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan…………………………………………………………………………… i Mục lục ……………………………………………………………………………… ii Danh mục chữ viết tắt, ký hiệu vii Danh mục bảng xii Danh mục hình vẽ, đồ thị xv MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ HIỆU ỨNG ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG SĨNG TRONG TÍNH TỐN KẾT CẤU CƠNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP 1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1.1 Cấu tạo chung sơ lược tình hình phát triển xây dựng cơng trình biển cố định thép giới Việt Nam 1.1.2 Tải trọng sóng tác động lên kết cấu cơng trình biển 1.1.3 Phản ứng kết cấu cơng trình biển 10 1.1.4 Quan hệ chu kỳ dao động riêng kết cấu cơng trình với chu kỳ sóng biển 11 1.2 Các tiêu chuẩn nghiên cứu hiệu ứng động tải trọng sóng tính tốn kết cấu cơng trình biển cố định thép 14 1.2.1 Các tiêu chuẩn hành đánh giá hiệu ứng động tải trọng sóng tính tốn kết cấu cơng trình biển cố định thép 14 1.2.1.1 Tiêu chuẩn API 14 1.2.1.2 Tiêu chuẩn ISO 15 1.2.1.3 Tiêu chuẩn PTS 15 1.2.1.4 Tiêu chuẩn DNV 15 1.2.1.5 Tiêu chuẩn NORSOK 15 1.2.1.6 Tiêu chuẩn Việt Nam 15 iii 1.2.2 Các công bố khoa học đánh giá hiệu ứng động tải trọng sóng tính tốn kết cấu cơng trình biển cố định thép 16 1.2.2.1 Các công bố giới 16 1.2.2.2 Các công bố Việt Nam 23 1.3 Đánh giá nghiên cứu công bố, đề xuất hướng nghiên cứu luận án 24 1.3.1 Đánh giá chung nghiên cứu công bố 24 1.3.2 Đề xuất hướng nghiên cứu luận án 26 1.4 Nội dung nghiên cứu luận án 27 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP LUẬN ĐÁNH GIÁ HIỆU ỨNG ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG SĨNG LÊN KẾT CẤU CƠNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP TRONG BÀI TOÁN BỀN VÀ BÀI TOÁN MỎI 28 2.1 Tải trọng sóng 28 2.1.1 Dạng gốc phương trình Morison 28 2.1.2 Dạng mở rộng phương trình Morison 29 2.1.3 Dạng tuyến tính phương trình Morison với mơ hình tiền định 29 2.2 Bài toán tĩnh kết cấu Jacket 30 2.2.1 Bài toán tĩnh tổng quát kết cấu Jacket 30 2.2.2 Bài toán tựa tĩnh kết cấu Jacket chịu tải trọng sóng 30 2.2.3 Xác định nội lực kết cấu Jacket toán tĩnh 31 2.3 Bài toán động lực học tiền định kết cấu Jacket 31 2.3.1 Phương trình tổng qt tốn dao động nhiều bậc tự 31 2.3.2 Phương pháp chồng mode 32 2.3.3 Phương pháp phần tử hữu hạn giải toán động lực học kết cấu Jacket 34 2.3.3.1 Xây dựng ma trận theo phương pháp phần tử hữu hạn 34 2.3.3.2 Phương trình vi phân chuyển động 35 2.3.3.3 Sơ đồ khối giải toán kết cấu phương pháp PTHH 36 2.4 Kiểm tra bền kết cấu Jacket 36 2.4.1 Quan niệm tính tốn bền kết cấu Jacket 36 2.4.2 Các điều kiện mơi trường tính tốn bền 37 iv 2.4.3 Các toán kiểm tra bền 37 2.5 Tính tốn mỏi tiền định kết cấu Jacket 38 2.5.1 Các giai đoạn phát triển mỏi 38 2.5.2 Các phương pháp tính mỏi 38 2.5.3 Tính mỏi tiền định theo phương pháp P-M 39 2.5.3.1 Đường cong mỏi S-N 39 2.5.3.2 Xác định ứng suất để tính mỏi điểm nóng 40 2.5.3.3 Xác định tổn thất mỏi 42 2.5.3.4 Đánh giá tuổi thọ mỏi 43 2.5.4 Thuật tốn tổng qt tính tốn mỏi tiền định 44 2.6 Đánh giá hiệu ứng động 45 2.6.1 Hiệu ứng động toán bền 46 2.6.1.1 Hiệu ứng động mơ hình tính tựa tĩnh 46 2.6.1.2 Hiệu ứng động mơ hình động lực học 46 2.6.2 Hiệu ứng động toán mỏi 47 2.6.3 Nhận xét hiệu ứng động kiểm tra bền mỏi 48 2.6.4 Sơ đồ thuật toán áp dụng đánh giá hiệu ứng động 49 2.7 Các nội dung đạt chương …… ………………………………… 56 CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG SĨNG LÊN KẾT CẤU CƠNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP CHO ĐIỀU KIỆN BIỂN VIỆT NAM 57 3.1 Quan hệ độ sâu nước hiệu ứng động 57 3.2 Quan hệ tỷ số cản hiệu ứng động 58 3.3 Quan hệ hà bám hiệu ứng động 61 3.3.1 Tăng trọng lượng kết cấu 62 3.3.2 Tăng chu kỳ dao động riêng kết cấu 62 3.3.3 Tăng tải trọng sóng 63 3.4 Nhận xét lựa chọn thơng số phục vụ tính tốn khảo sát 64 3.5 Đặc điểm kết cấu Jacket Việt Nam 65 v 3.5.1 Sự phát triển cơng trình biển cố định thép Việt Nam 65 3.5.2 Đặc điểm kỹ thuật kết cấu khối chân đế Việt Nam 66 3.5.3 Đặc điểm sóng biển Việt Nam ………………………………………….68 3.6 Thơng số Jacket sử dụng để đánh giá hiệu ứng động 69 3.7 Thơng số sóng biển sử dụng để đánh giá hiệu ứng động 70 3.8 Phần mềm tiêu chuẩn áp dụng tính tốn 71 3.9 Kết đánh giá hiệu ứng động 72 3.9.1 Hiệu ứng động toán kiểm tra bền 72 3.9.1.1 Kết khảo sát Jacket 01 72 3.9.1.2 Kết khảo sát Jacket 02 76 3.9.1.3 Kết khảo sát Jacket 03 81 3.9.2 Hiệu ứng động toán kiểm tra mỏi 86 3.9.2.1 Kết khảo sát Jacket 01 86 3.9.2.2 Kết khảo sát Jacket 02 88 3.9.2.3 Kết khảo sát Jacket 03 89 3.10 So sánh đánh giá hiệu ứng động 91 3.10.1 Đối với lực quán tính 91 3.10.2 Đối với toán bền 92 3.10.3 Đối với toán mỏi 93 3.11 Các nội dung đạt chương 3………………………………………… 95 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG VÀO THỰC TẾ GIÀN CỐ ĐỊNH CÓ KẾT CẤU KIỂU JACKET CHO ĐIỀU KIỆN BIỂN VIỆT NAM 97 4.1 Số liệu đầu vào 97 4.1.1 Số liệu cơng trình 97 4.1.2 Số liệu sóng thiết kế 98 4.1.2.1 Giàn WHP Thái Bình 98 4.1.2.2 Giàn WHP Thăng Long 99 4.1.2.3 Giàn WHP Đại Hùng 100 4.1.3 Số liệu hà bám 100 vi 4.2 So sánh kết hiệu ứng động WHP-Thái Bình 101 4.2.1 Kết kiểm tra bền 101 4.2.1.1 Hiệu ứng động 101 4.2.1.2 Kết tính tốn kiểm tra bền 102 4.2.2 Kết kiểm tra mỏi 104 4.3 So sánh kết hiệu ứng động WHP-Thăng Long 104 4.3.1 Kết kiểm tra bền 104 4.3.1.1 Hiệu ứng động 104 4.3.1.2 Kết tính tốn kiểm tra bền 106 4.3.2 Kết kiểm tra mỏi 107 4.4 So sánh kết đánh giá hiệu ứng WHP-Đại Hùng 107 4.4.1 Kết kiểm tra bền 107 4.4.1.1 Hiệu ứng động 107 4.4.1.2 Kết tính tốn kiểm tra bền 109 4.4.2 Kết kiểm tra mỏi 111 4.5 Một số hình ảnh kiểm tra bền, mỏi 111 4.6 Thảo luận kết áp dụng tính tốn 113 4.7 Các nội dung đạt chương 4………………………………………… 114 KẾT LUẬN 116 DANH MỤC NHỮNG CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 119 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 121 PHỤ LỤC 126 Phụ lục 01: Thống kê giàn khai thác dầu khí Việt Nam kiểu kết cấu Jacket… PL1 Phụ lục 02: Kết kiểm tra bền kết cấu Jacket 01, 02 03 PL9 Phụ lục 03: Kết kiểm tra mỏi kết cấu Jacket 01, 02 03 PL22 Phụ lục 04: Số liệu đầu vào giàn đầu giếng WHP Thái Bình … PL41 Phụ lục 05: Số liệu đầu vào giàn đầu giếng WHP Thăng Long PL45 Phụ lục 06: Số liệu đầu vào giàn đầu giếng WHP Đại Hùng … PL49 Phụ lục 07: Kết tính tốn mỏi WHP Thái Bình, WHP Thăng Long, WHP Đại Hùng PL53 vii Danh mục chữ viết tắt, ký hiệu Danh mục từ viết tắt BS Tổng lực cắt đáy CTB Cơng trình biển DAF Hệ số khuếch đại động DAFQS Hệ số khuếch đại động tính tốn tựa tĩnh DAFD Hệ số khuếch đại động tính tốn động DAFF Hệ số khuếch đại động tính tốn mỏi ĐLH Động lực học EL Cao độ FLS Trạng thái giới hạn phá hủy mỏi JD Chuyển vị nút KCĐ Khối chân đế MSL Mực nước tĩnh trung bình LAT Mực nước thủy triều thấp LRFD Thiết kế theo hệ số tải trọng khả chịu lực OP (Oper) Điều kiện hoạt động OTM Tổng mơ men lật OD Đường kính ngồi ống P-M Phương pháp tính mỏi Palmgren - Miner PTHH Phần tử hữu hạn SCF Hệ số tập trung ứng suất SLS Trạng thái giới hạn khả khai thác S-N Đường cong mỏi thực nghiệm S-N ST (Storm) Điều kiện bão cực hạn sec (s) Giây TTB Trạng thái biển UC Unity check - Hệ số sử dụng vật liệu ULS Trạng thái giới hạn cực hạn PL44 No Chu kỳ sóng (Sec) Tần số sóng (Hz) Chiều cao sóng (m) Chiều cao sóng áp dụng (m) 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 3,333 3,125 3,106 3,086 3,067 3,049 3,030 3,012 2,778 2,632 2,618 2,604 2,591 2,577 2,564 2,551 2,538 2,500 2,381 0,300 0,320 0,322 0,324 0,326 0,328 0,330 0,332 0,360 0,380 0,382 0,384 0,386 0,388 0,390 0,392 0,394 0,400 0,420 0,867 0,762 0,752 0,743 0,734 0,725 0,716 0,708 0,602 0,540 0,535 0,529 0,524 0,518 0,513 0,508 0,502 0,488 0,442 0,867 0,762 0,752 0,743 0,734 0,725 0,716 0,708 0,602 0,540 0,535 0,529 0,524 0,518 0,513 0,508 0,502 0,488 0,442 No Chu kỳ sóng (Sec) Tần số sóng (Hz) Chiều cao sóng (m) Chiều cao sóng áp dụng (m) 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 1,667 1,639 1,613 1,563 1,538 1,515 1,493 1,429 1,351 1,299 1,282 1,266 1,250 1,220 1,205 1,176 1,163 1,111 1,000 0,600 0,610 0,620 0,640 0,650 0,660 0,670 0,700 0,740 0,770 0,780 0,790 0,800 0,820 0,830 0,850 0,860 0,900 1,000 0,217 0,210 0,203 0,190 0,185 0,179 0,174 0,159 0,142 0,132 0,128 0,125 0,122 0,116 0,113 0,108 0,105 0,096 0,078 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300 PL45 Phụ lục 05: Số liệu đầu vào giàn đầu giếng WHP Thăng Long Hình PL5.1 Mặt hướng sóng WHP Thăng Long Hình PL5.2 Mặt đứng Panel A Hình PL5.3 Mặt đứng Panel B PL46 Hình PL5.4 Mặt đứng Panel Hình PL5.4 Mặt đứng Panel Hình PL5.5 Mặt ngang + 5.300 Hình PL5.6 Mặt ngang - 13.000 PL47 Hình PL5.7 Mặt ngang - 31.000 Hình PL5.8 Mặt ngang - 46.000 Hình PL5.9 Mặt ngang - 65.000 Bảng PL5.1.Tần suất hướng sóng tính mỏi - WHP Thăng Long Hướng thực giàn N NE E SE S SW W NW Hướng sóng 225° 180° 135° 90° 45° 0° 315° 270° Tần suất xuất 0,0039 0,2964 0,2629 0,0460 0,0353 0,3012 0,0523 0,0020 Total Bảng PL5.2 Tần số chiều cao sóng chọn tính mỏi - WHP Thăng Long No Chu kỳ sóng (Sec) Tần số sóng (Hz) Chiều cao sóng (m) No Chu kỳ sóng (Sec) Tần số sóng (Hz) Chiều cao sóng (m) 25,000 16,667 12,500 10,000 8,333 7,143 0,040 0,060 0,080 0,100 0,120 0,140 9,900 9,900 9,900 7,807 5,421 3,983 27 28 29 30 31 32 2,545 2,532 2,519 2,500 2,439 2,427 0,393 0,395 0,397 4,000 0,410 0,412 0,505 0,500 0,495 0,488 0,464 0,460 PL48 No Chu kỳ sóng (Sec) Tần số sóng (Hz) Chiều cao sóng (m) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 6,250 5,556 5,000 4,545 4,167 3,846 3,571 3,333 3,125 2,941 2,857 2,778 2,717 2,703 2,632 2,618 2,604 2,591 2,577 2,564 0,160 0,180 0,200 0,220 0,240 0,260 0,280 0,300 0,320 0,340 0,350 0,360 0,368 0,370 0,380 0,382 0,384 0,386 0,388 0,390 3,049 2,409 1,952 1,613 1,355 1,155 0,996 0,867 0,762 0,675 0,637 0,602 0,576 0,570 0,541 0,535 0,529 0,524 0,519 0,513 No Chu kỳ sóng (Sec) Tần số sóng (Hz) Chiều cao sóng (m) 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 2,404 2,381 2,326 2,273 2,222 2,208 2,198 2,188 2,174 2,165 2,155 2,146 2,128 2,083 2,041 2,000 1,961 1,852 1,754 0,416 0,420 0,430 0,440 0,450 0,453 0,455 0,457 0,460 0,462 0,464 0,466 0,470 0,480 0,490 0,500 0,510 0,540 0,570 0,451 0,443 0,422 0,403 0,386 0,380 0,377 0,374 0,369 0,366 0,363 0,359 0,353 0,339 0,325 0,312 0,300 0,300 0,300 PL49 Phụ lục 06: Số liệu đầu vào giàn đầu giếng WHP Đại Hùng Hình PL6.1 Mặt hướng sóng WHP Đại Hùng Hình PL6.2 Mặt đứng Panel A Hình PL6.3 Mặt đứng Panel B PL50 Hình PL6.4 Mặt đứng Panel Hình PL6.6 Mặt ngang + 7.600 Hình PL6.5 Mặt đứng Panel Hình PL6.7 Mặt ngang - 14.000 PL51 Hình PL6.8 Mặt ngang - 38.000 Hình PL6.9 Mặt ngang - 62.000 Hình PL6.11 Mặt ngang - 106.000 Hình PL6.10 Mặt ngang - 100.000 Bảng PL6.1 Tần suất hướng sóng tính mỏi - WHP Đại Hùng Hướng thực giàn Hướng sóng Tần suất xuất N NE E SE S SW W NW 225° 180° 135° 90° 45° 0° 315° 270° 0,0041 0,429 0,116 0,0218 0,0199 0,2221 0,178 0,009 Total Bảng PL6.2 Tần số chiều cao sóng chọn tính mỏi - WHP Đại Hùng No Chu kỳ sóng (Sec) Tần số sóng (Hz) Chiều cao sóng (m) No Chu kỳ sóng (Sec) Tần số sóng (Hz) Chiều cao sóng (m) 25,000 21,000 15,000 10,000 6,000 4,040 3,750 3,500 0,040 0,048 0,067 0,100 0,167 0,248 0,267 0,286 13,800 13,800 13,800 7,807 2,810 1,274 1,098 0,956 33 34 35 36 37 38 39 40 2,300 2,280 2,260 2,240 2,220 2,200 2,180 2,150 0,435 0,439 0,442 0,446 0,450 0,455 0,459 0,465 0,413 0,406 0,399 0,392 0,385 0,378 0,371 0,361 PL52 No Chu kỳ sóng (Sec) Tần số sóng (Hz) Chiều cao sóng (m) No Chu kỳ sóng (Sec) Tần số sóng (Hz) Chiều cao sóng (m) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 3,310 3,160 3,120 3,010 3,000 2,870 2,800 2,730 2,700 2,640 2,600 2,560 2,500 2,480 2,500 2,480 2,460 2,440 2,420 2,400 2,380 2,360 2,340 2,320 0,302 0,316 0,321 0,332 0,333 0,348 0,357 0,366 0,370 0,379 0,385 0,391 0,400 0,403 0,400 0,403 0,407 0,410 0,413 0,417 0,420 0,424 0,427 0,431 0,855 0,780 0,760 0,707 0,703 0,643 0,612 0,582 0,569 0,544 0,528 0,512 0,488 0,480 0,488 0,480 0,472 0,465 0,457 0,450 0,442 0,435 0,427 0,420 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 2,100 2,050 2,000 1,950 1,900 1,850 1,800 1,750 1,700 1,690 1,650 1,600 1,500 1,400 1,330 1,310 1,290 1,250 1,200 1,150 1,120 1,100 1,050 1,000 0,476 0,488 0,500 0,513 0,526 0,541 0,556 0,571 0,588 0,592 0,606 0,625 0,667 0,714 0,752 0,763 0,775 0,800 0,833 0,870 0,893 0,909 0,952 1,000 0,344 0,328 0,312 0,305 0,305 0,305 0,305 0,305 0,305 0,305 0,305 0,305 0,305 0,305 0,305 0,305 0,305 0,305 0,305 0,305 0,305 0,305 0,305 0,305 PL53 Phụ lục 07: Kết tính tốn mỏi WHP Thái Bình, WHP Thăng Long, WHP Đại Hùng Phụ lục 07.1 Kết tính tốn mỏi WHP Thái Bình - dự án PL54 PL55 Phụ lục 07.2 Kết tính tốn mỏi WHP Thăng Long - dự án PL56 PL57 Phụ lục 07.3 Kết tính tốn mỏi WHP Đại Hùng - dự án PL58 ... kỳ Hướng sóng sóng (s) Bắc Đơng Bắc Đơng Đơng Nam Nam Tây Nam Tây Tây Bắc 7,4 10,4 7,8 11,9 11,8 7,8 7,3 6,3 Bắc Đông Bắc Đông Đông Nam Nam Tây Nam Tây Tây Bắc 8,9 12,6 9,4 13,8 13,6 9,5 8,8... tích Việt Nam; (b)-Bản đồ hoạt động dầu khí Việt Nam Hình 1.4 Các phổ sóng P-M JONSWAP Hình 1.5 Phổ chiều cao sóng cho vùng biển khác giới vùng biển phía Nam Việt Nam ... Việt Nam; (b)-Bản đồ hoạt động dầu khí Việt Nam [15] Hệ thống cơng trình biển cố định thép kiểu Jacket xây dựng Việt Nam phục vụ cơng tác thăm dị khai thác dầu khí thềm lục địa biển Việt Nam phân