Bài viết trình bày cách đánh giá hiệu ứng động của tải trọng sóng tác dụng lên kết cấu Jacket trong bài toán mỏi thông qua tỷ số tổn thất tích lũy và tiến hành khảo sát cho 03 kết cấu Jacket có độ sâu nước tăng dần trong điều kiện biển Việt Nam.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng NUCE 2018 12 (4): 23–29 HIỆU ỨNG ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG TRONG BÀI TOÁN KIỂM TRA MỎI KẾT CẤU KHỐI CHÂN ĐẾ CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP KIỂU JACKET Đinh Quang Cườnga,∗, Bùi Thế Anha , Hoàng Đức Niênb a Khoa Xây dựng Cơng trình biển Dầu khí, Trường Đại học Xây dựng, 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam b Cục Đăng kiểm Việt Nam, Bộ Giao thông Vận tải, 18 đường Phạm Hùng, quận Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam Lịch sử viết: Nhận ngày 28/11/2017, Sửa xong 13/5/2018, Chấp nhận đăng 30/05/2018 Tóm tắt Bài tốn kiểm tra mỏi toán quan trọng bước thiết kế kết cấu khối chân đế giàn khoan cố định thép kiểu Jacket Tuy nhiên, để đánh giá hiệu ứng động hầu hết tài liệu dừng việc đánh giá thông qua tỷ số phản ứng động so với phản ứng tĩnh Trong đó, tốn kiểm tra mỏi đích cuối xác định tổng tỷ số tổn thất mỏi Bài báo trình bày cách đánh giá hiệu ứng động tải trọng sóng tác dụng lên kết cấu Jacket tốn mỏi thơng qua tỷ số tổn thất tích lũy tiến hành khảo sát cho 03 kết cấu Jacket có độ sâu nước tăng dần điều kiện biển Việt Nam Từ khoá: hiệu ứng động; jacket; tải trọng sóng; phân tích mỏi DYNAMIC EFFECTS OF WAVE LOADS IN FATIGUE ANALYSIS OF FIXED STEEL STRUCTURE Abstract The fatigue analysis problem is an important problem in the designing steps of the Fixed Steel Jacket Structure At present, for the dynamic effect assessment, most of the documents are only evaluated based on the ratio of the dynamic response and the static response However, the fatigue analysis is based on the total of fatigue damage ratio (or fatigue life) This article presents a method for evaluating dynamic effects of wave loads on the Jacket Structures in the fatigue analysis through cumulative damage ratio and examines 03 Jacket Structures with an increase in water depth in the Vietnamese sea conditions Keywords: dynamic effects; jacket; wave load; fatigue analysis https://doi.org/10.31814/stce.nuce2018-12(4)-03 © 2018 Trường Đại học Xây dựng (NUCE) Đặt vấn đề Trong tính tốn kết cấu cơng trình biển, hiệu ứng động tải trọng sóng DAFD xác định tỷ số phản ứng động so với phản ứng tĩnh [1–3] cụ thể: Hiệu ứng động DAFD = ∗ Phản ứng động mức thứ p Phản ứng tĩnh mức thứ p Tác giả Địa e-mail: cuongdq.vctb@gmail.com (Cường, Đ Q.) 23 (1) Cường, Đ Q cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng phản ứng động mức thứ p chuyển vị, nội lực, ứng suất, UC, giải toán động lực học; kết phản ứng tĩnh mức thứ p chuyển vị, nội lực, ứng suất, UC, giải toán tĩnh Khi giải tốn theo mơ hình tựa tĩnh (mơ hình gần đúng) hiệu ứng động xác định từ việc giải toán bậc tự cho kết sau [2–5]: DAFQS = DAF = (2) (1 − Ω2 )2 + (2ξ Ω)2 Tuy nhiên, tốn kiểm tra mỏi đích cuối xác định tổng tỷ số tổn thất mỏi, việc đánh giá hiệu ứng động tính tốn kiểm tra mỏi dựa công thức số (1) (2) chưa thỏa đáng mà phải đánh giá hiệu ứng động thông qua tỷ số tổn thất mỏi Lúc hiệu ứng động tính tốn kiểm tra mỏi ký hiệu DAFF Tiếp theo kết nghiên cứu trước nhóm tác giả [6–9], báo này, nhóm tác giả trình bày việc nghiên cứu, đánh giá hiệu ứng động tải trọng sóng tính tốn kiểm tra mỏi kết cấu khối chân đế cơng trình biển cố định thép kiểu jacket, thực khảo sát tính tốn độ sâu nước khác nhau, tăng dần Hiệu ứng động toán mỏi Xét điều kiện kiểm tra không bị phá hủy mỏi: [2, 3, 10] D ≤ [D] (3) D tổng tỷ số tổn thất mỏi tích luỹ thời điểm khai thác bất kỳ; [D] tỷ số tổn thất mỏi gây phá huỷ (tổn thất mỏi cho phép) Như trình bày mục 1, cơng thức (1) (2), tìm được: σD = DAFD σt , (σD , σt ứng suất động ứng suất tĩnh) Với thơng số sóng thứ j (H j , T j , n j ) tính tốn ta xác định tỷ số tổn thất mỏi thứ j sau: DD j = nj m m m = n j aSD j = n j a(S j ∗ DAFD j ) = Dt j (DAFD j ) Nj (4) số j thể thơng số sóng thứ j; DD j tỷ số số tổn thất mỏi động; Dt j tỷ số số tổn thất mỏi tĩnh; n j số chu trình ứng suất; N j số chu trình gây phá hủy mỏi; a, m thông số phụ thuộc vật liệu, xác định dựa vào đường cong mỏi S-N; S số gia ứng suất, S = ∆σ = σmax − σmin Xét cho sóng thứ j, hiệu ứng động tốn mỏi đánh giá thơng qua tỷ số tổn thất mỏi thứ j xác định sau: DD j = (DAFD j )m (5) DAFF j = Dt j với DAFD j xác định theo công thức số (1) (2) tùy thuộc vào việc lựa chọn giải tốn theo mơ hình động hay mơ hình tựa tĩnh Trong thực tế kết cấu ln chịu tác dụng nhiều nhóm tải trọng khác nhau, tổng tỷ số tổn thất mỏi tích lũy trạng thái biển ngắn hạn thứ i, gồm Mi nhóm ứng suất [2]: Mi Di = nj ∑ Nj j=1 24 (6) Cường, Đ Q cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Lúc này, hiệu ứng động toán mỏi cho trạng thái biển ngắn hạn thứ i xác định sau: DDi DAFF = (7) Dti Tổng thất mỏi tích lũy, tuổi thọ mỏi theo luật Palmgren-Miner, tuổi thọ mỏi điểm nóng khảo sát có kể đến hệ số an toàn đơn vị thời gian, gồm M trạng thái biển ngắn hạn xác định theo công thức (8), (9) (10) sau [2, 3, 10]: M Mij Mi D= n ji N i=1 j=1 ji ∑ Di = ∑ ∑ (8) τ = 1/D (9) j=1 M Mij p ji τmin = τFL = [D] ∑ ∑ i=1 j=1 T ji N ji −1 (sec) (10) [D] tỷ số tổn thất mỏi gây phá hủy, lấy theo tiêu chuẩn áp dụng tính tốn Theo PalmgrenMiner [D] = Theo tiêu chuẩn quy phạm, [D] phụ thuộc hệ số an toàn Ví dụ API [11] hệ số an tồn [D] = 0,5, theo DnV [12] [D] = 0,3 vùng dao động nước nước; p ji tỷ lệ % thời gian nhóm ứng suất S j trạng thái biển thứ i; T ji chu kỳ nhóm ứng suất S j trạng thái biển thứ i; N ji số chu trình nhóm ứng suất S j gây phá hủy mỏi (theo đường cong S-N) Việc kiểm tra tính tốn mỏi báo thực theo sơ đồ thuật tốn trình bày Hình Kết tính tốn khảo sát Số liệu đầu vào bao gồm: số liệu kết cấu cơng trình, số liệu điều kiện sóng biển phục vụ tính tốn kiểm tra mỏi Cụ thể, tính toán kiểm tra kết cấu giàn đỡ đầu giếng với số liệu đầu vào trình bày Hình Bảng 1, Bảng Thông số kết cấu Jacket thực tính tốn Thơng số Độ sâu nước (m) Kích thước thượng tầng (m) Số lượng ống Số lượng vách ngang Đường kính ống (mm) Trọng lượng thượng tầng (T) Trọng lực khối chân đế (T) Chu kỳ dao động riêng-Operating (s) Jacket Jacket Jacket 65 24 × 28 4 1650 × 25 1680,3 3526,4 2,144 90 24 × 28 1965 × 30 1680,3 4951,9 2,800 120 24 × 28 2290 × 40 1680,3 7804,8 3,287 Sử dụng phân tích kết cấu phần mềm SACS, kết đầu trình bày báo bao gồm: kết DAF, DAFD , tuổi thọ mỏi (FL) cho kết cấu Jacket1, Jacket 2, Jacket Cụ thể, thể Hình 3–7 25 Cường, Đ Q cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Hình Sơ đồ thuật tốn tính tốn, kiểm tra mỏi (a) Jacket 1, độ sâu nước: 65 m; (b) Jacket 2, độ sâu nước: 90 m; (c) Jacket 3, độ sâu nước: 120 m Hình Sơ đồ kết cấu giàn đỡ đầu giếng thực khảo sát Đồ thị Hình Jacket 01 (d0 = 65 m) thấy DAFD nhỏ DAFQS Ở đồ thị Hình Jacket 02 (d0 = 90 m) nhận thấy DAFD có giá trị xấp xỉ lớn DAFQS Đến đồ thị Hình Jacket 03 (d0 = 120 m) hầu hết DAFD có giá trị lớn DAFQS Đối với giá trị tổn thất mỏi (D) tuổi thọ mỏi (FL), qua đồ thị Hình Jacket 01 (d0 = 65 m), đồ thị Hình Jacket 02 (d0 = 90 m), đồ thị Hình Jacket 03 (d0 = 120 m) nhận thấy 26 Cường, Đ Q cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Bảng Thơng số sóng phục vụ tính tốn kiểm tra mỏi [13] Hình Biểu diễn tương quan DAF DAFD - Jacket 01 Hình Biểu diễn tương quan DAF DAFD - Jacket 02 Hình Biểu diễn tương quan DAF DAFD - Jacket 03 27 Cường, Đ Q cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Hình Biểu diễn tương quan tuổi thọ mỏi - Jacket 01 Hình Biểu diễn tương quan tuổi thọ mỏi - Jacket 02 Hình Biểu diễn tương quan tuổi thọ mỏi - Jacket 03 giá trị (D) (FL) có biến đổi tương thích với giá trị DAFQS DAFD trình bày trên, nhiên chênh lệch lớn Cụ thể, sóng: DAFF = (DAFD or DAFQS )m , với m = lấy theo đường cong S-N tiêu chuẩn API [11] Kết luận Đối với toán kiểm tra mỏi, đánh giá hiệu ứng động (DAFF ) cần thiết phải đánh giá hiệu ứng động thông qua tỷ số tổn thất mỏi mơ hình tính động so với mơ hình tĩnh lúc DAFF khác lớn nhiều so với DAF (hoặc DAFD ) - đánh giá hiệu ứng động truyền thống Như phân tích trên, hiệu ứng động sóng tính tốn kiểm tra mỏi lớn, tính tốn mỏi nên thực tính toán động cho kết sát thực Cùng với nghiên cứu trước [6–9] nhóm tác giả, nghiên cứu tác giả, tài liệu khác tham khảo, nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện vấn đề hiệu ứng động tải trọng sóng lên kết cấu cơng trình biển cố định thép kiểu Jacket nhằm đưa lời khuyên cho tính toán thực tế áp dụng ứng với điều kiện biển Việt Nam 28 Cường, Đ Q cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Tài liệu tham khảo [1] Phượng, N V (2005) Động lực học cơng trình Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [2] Hùng, P K (2016) Tính tốn thiết kế cơng trình biển cố định thép điều kiện nước sâu Nhà xuất Xây dựng [3] Barltrop, N D P., Adams, A J (1991) Dynamics of fixed marine structures Butterworth-Heinemann [4] Wilson, J F (2003) Dynamics of offshore structures John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey [5] Chakrabarti, S K (2005) Handbook of offshore engineering Volume I and II, Elsevier, Amsterdam, The Netherlands [6] Anh, B T., Cường, Đ Q (2013) Nghiên cứu hiệu ứng động tải trọng sóng thiết kế theo tiêu chuẩn thiết kế hành kết cấu cơng trình biển thép xây dựng điều kiện thềm lục địa Việt Nam Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng, (16):38–45 [7] Anh, B T., Cường, Đ Q (2015) Nghiên cứu sử dụng hợp lý mô hình tựa tĩnh động để kiểm tra bền mỏi kết cấu khối chân đế cơng trình biển cố định thép kiểu Jacket Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng, (23):69–74 [8] Anh, B T., Cường, Đ Q (2016) Hiệu ứng động tải trọng sóng tốn kiểm tra bền kiểm tra mỏi kết cấu khối chân đế gian khoan cố định thép kiểu jacket Tuyển tập báo cáo hội nghị khoa học kỷ niệm 35 năm ngày thành lập liên doanh Việt-Nga Vietsovpetro, tập II, 264–272 [9] Anh, B T., Niên, H Đ (2016) Hiệu ứng động tải trọng sóng tốn kiểm tra bền kết cấu khối chân đế cố định thép kiểu jacket Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 17ĐHXD, tập I, 243–248 [10] Khôi, P V (1997) Tuổi thọ mỏi kết cấu thép biển Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [11] API-RP2A-WSD (2002) Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms - working stress design American Petroleum Institute, Washington, D.C [12] DNV-OS-C201 (2012) Structural design of offshore units (WSD method) Det Norske Veritas, Norway [13] FUGRO (2010) Block 01/97 and 02/97, Vietnam metocean criteria study (C50631/5751/R1) Fugro Geos, Oxfordshire, U.K 29 ... (23):69–74 [8] Anh, B T., Cường, Đ Q (2016) Hiệu ứng động tải trọng sóng tốn kiểm tra bền kiểm tra mỏi kết cấu khối chân đế gian khoan cố định thép kiểu jacket Tuyển tập báo cáo hội nghị khoa học... Vietsovpetro, tập II, 264–272 [9] Anh, B T., Niên, H Đ (2016) Hiệu ứng động tải trọng sóng tốn kiểm tra bền kết cấu khối chân đế cố định thép kiểu jacket Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Công nghệ... đánh giá hiệu ứng động tính tốn kiểm tra mỏi dựa cơng thức số (1) (2) chưa thỏa đáng mà phải đánh giá hiệu ứng động thông qua tỷ số tổn thất mỏi Lúc hiệu ứng động tính tốn kiểm tra mỏi ký hiệu DAFF