Bài báo này trình bày phương pháp xác định tần số dao động riêng cơ bản của kết cấu chân đế giàn khoan biển sử dụng phương pháp xử lý số liệu phản ứng động của mô hình số bằng biến đổi nhanh Fourier. Ảnh hưởng của sự làm việc phi tuyến của các cấu kiện ống thép và sự tương tác giữa cọc và đất nền được xem xét trong nghiên cứu này.
KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG XÁC ĐỊNH TẦN SỐ DAO ĐỘNG RIÊNG CƠ BẢN CỦA KẾT CẤU THÉP CHÂN ĐẾ GIÀN KHOAN BIỂN BẰNG PHÂN TÍCH KẾT QUẢ PHẢN ỨNG ĐỘNG TS NGUYỄN THÀNH TRUNG Trường đại học Giao thơng vận tải Tóm tắt: Việc xác định đặc trưng động lực học kết cấu bước quan trọng cơng tác bảo trì kết cấu chân đế giàn khoan biển giai đoạn vận hành Hiện nay, phần lớn chương trình tính xác định tần số dao động riêng không xét đến làm việc phi tuyến hệ kết cấu Vì vậy, việc xác định thay đổi tần số dao động riêng ảnh hưởng phi tuyến hệ kết cấu giàn khoan tác dụng tải trọng môi trường cực hạn quan tâm Bài báo trình bày phương pháp xác định tần số dao động riêng kết cấu chân đế giàn khoan biển sử dụng phương pháp xử lý số liệu phản ứng động mơ hình số biến đổi nhanh Fourier Ảnh hưởng làm việc phi tuyến cấu kiện ống thép tương tác cọc đất xem xét nghiên cứu Từ khóa: Tần số dao động riêng; kết cấu thép chân đế giàn khoan biển; biến đổi nhanh Fourier; làm việc phi tuyến; Đặt vấn đề Kết cấu chân đế giàn khoan biển thép dạng kết cấu điển hình, truyền thống áp dụng thích hợp cho độ nước 150m Kết cấu chân đế làm việc điều kiện khắc nghiệt môi trường biển, chịu tác động thường xun tải trọng động sóng, dòng chảy, gió,… đơi tải trọng đặc biệt tải trọng động đất Vì vậy, cơng tác bảo trì sửa chữa giàn khoan biển ln thực thường xuyên hàng năm để đảm bảo an toàn giai đoạn vận hành Một công tác quan trọng trình bảo trì phải đánh giá làm việc kết cấu trước sau trình tu, sửa chữa Trong năm gần đây, có nhiều phương pháp nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm áp dụng cho việc phân tích đánh giá lại kết cấu giàn khoan dầu khí Đặc biệt, phương pháp xác định đặc trưng động kết 32 cấu vị trí khuyết tật cách phân tích phản ứng động quan tâm lớn Hills A.J [1] Nichols J.M [2] thực số nghiên cứu hệ thống quan trắc đánh giá giàn khoan biển phương pháp đo phản ứng dao động trường để xác định ảnh hưởng suy giảm kết cấu giai đoạn vận hành Wang S [3] sử dụng phương pháp lượng biến dạng dạng dao động (IMSE) để xác định vị trí biến dạng từ kết đo phản ứng số điểm kết cấu MojtahediA [4] tiến hành xác định thay đổi đặc trưng động kết cấu giàn khoan ảnh hưởng phi tuyến hình học suy giảm kết cấu Liu J.[5] sử dụng phương pháp biến đổi HilbertHuang (HHT) để xác định đặc trưng động kết cấu giàn khoan Asgarian B [6] sử dụng phương pháp đẩy dần(push-over) để đánh giá làm việc phi tuyến liên kết cọc đất Tuy nhiên, nghiên cứu xử lý phân tích phản ứng động chưa làm rõ ràng ảnh hưởng phi tuyến cấu kiện suy giảm tương tác cọc đất lên kết cấu giàn khoan biển thép Các ống thép chân đế giàn sau thời gian hoạt động thường bị ăn mòn bị suy giảm cường độ Đồng thời, liên kết cọc đất san hô bị giảm yếu tác dụng liên tục tải trọng mơi trường Chính vậy, nghiên cứu thực để xác định tần số dao động riêng kết cấu qua làm việc phi tuyến chân đế giàn khoan thép phương pháp phân tích phản ứng động sử dụng biến đổi nhanh Fourier Nghiên cứu xem xét làm việc phi tuyến cấu kiện thép ống tương tác cọc đất Phương pháp nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu kết cấu chân đế không gian dạng chóp cụt, vng, chế tạo từ vật liệu Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG thép ống đặc chủng Khối chân đế có 04 vách đứng, vách cứng ngang, độ dốc vách đứng so với mặt phẳng thẳng đứng 1:10 Tổng chiều cao cơng trình 25,397m, kích thước mặt đỉnh 8,1x8,1m, kích thước mặt đáy 14,7x14,7m (hình 1) Chân đế lắp đặt thêm hệ thống kết cấu gia cố, góc khối chân đế lắp bổ sung cụm kết cấu khung tam giác chế tạo từ thép đặc chủng Khung tam giác liên kết với cột chân đế liên kết cứng thông qua mối hàn Để liên kết với nền, giữ ổn định cho khung tam giác tồn hệ thống, sử dụng 08 khối bê tơng gia tải tám góc khung tam giác Số liệu địa chất vị trí xây dựng xem bảng Hình Kết cấu chân đế giàn khoan biển thép gia cố Lớp đất Chiều dày (m) 2.5 7.4 5.7 2.4 7.7 Bảng Số liệu địa chất vị trí xây dựng Trọng lượng hữu Góc ma sát Loại đất hiệu, (kN/m ) (độ) Sét 7.5 Cát 8.7 25 sét 8.9 Sét 8.7 30 Sét 8.8 Cát 8.7 33 Lực dính (kN/m ) 17 62 74 Bảng Kích thước hình dạng cấu kiện kết cấu chân đế giàn khoan thép (xem chi tiết hình 1) STT Cấu kiện Loại vật liệu Chiều dài (m) Kích thước D×t (mm) Mác vật liệu Ống Hình tròn API-2H 28.74 813×21 X52 Cường độ chảy dẻo (MPa) 455 Cọc Thanh xiên X1 Hình tròn API-2H Hình tròn API-2H 25.17 11.61 720×20 426x16 X52 X50 455 365 Thanh xiên X2 Hình tròn API-2H 15.35 508x12.7 X50 365 Thanh xiên X3 Hình tròn API-2H 15.2 610x17.5 X50 365 Thanh xiên vách ngang DX1 Thanh ngang vách ngang Hình tròn API-2H 5.84 426x16 X50 365 Hình tròn API-2H 8.27(D1)và 426x16 X50 365 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 33 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 10 11 12 D1 D2 Thanh ngang vách ngang D3 Thanh biên khung tam giác G1 Thanh xiên khung tam giác G2 Thanh liên kết khung tam giác ống G3 Thanh đáy khung tam giác G4 Hình tròn API-2H 9.25(D2) 11.1 508x12.7 X50 365 Hình tròn API-2H 13.9 610x17.5 X50 365 Hình tròn API-2H 4.5÷9 315x11 X50 365 Hình tròn API-2H 22.89 610x17.5 X50 365 Hình tròn API-2H 426x16 X50 365 2.2 Phương pháp số kéo nén, cắt, uốn xoắn (hình 2) Cường độ chảy Trong nghiên cứu này, phần mềm SAP 2000 phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng để mô kết cấu chân đế giàn khoan biển thép 2.2.1 Mơ hình tính dẻo cho vật liệu thép lấy 365 MPa.liên kết cọc đất mô tả phần tử Link làm việc phi tuyến kép Cường độ giới hạn đất xác định công thức sau (tiêu chuẩn JRA 2002, [7]): Cường độ giới hạn đất rời theo phương ngang: Kết cấu chân đế giàn khoan biển thép mơ hình từ đỉnh ống trở xuống Các cấu kiện ống chính, cọc, ống liên kết mơ hình làm việc phần tử tuyến tính Ảnh hưởng khối lượng nước kèm theo ống tính tốn quy khối lượng tập trung nút kết cấu Các ống thép bị suy giảm chiều dày mơ phần tử Link làm việc phi tuyến kép (bilinear) xem xét cho = ∑ ℎ (1) Cường độ giới hạn đất dính theo phương ngang: =∑ ℎ +2 (2) đó: KP - hệ số áp lực chủ động; i - trọng lượng riêng đất thứ i (kN/m3) ;hi - chiều dày lớp đất thứ i (m); c - lực dính đơn vị (kN/m2) Hình Mơ hình phi tuyến kết cấu chân đế giàn khoan 34 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 2.2.2 Lựa chọn tải trọng tác động Để đánh giá làm việc phi tuyến cấu kiện kết cấu tương tác cọc đất nền, nghiên cứu tải trọng động đất thay đổi theo thời gian sử dụng phân tích đặc tính phi tuyến hệ kết cấu thể rõ nét trường hợp tải trọng đặc biệt tính tiện lợi chương trình Hai trường hợp tải trọng động đất biến đổi theo thời gian mơ hình tính lấy từ số liệu phân loại sóng động đất Nhật Bản, tiêu chuẩn JRA 2002 Trường hợp sóng động đất cấp loại Dorokyou Shihousho (Type 1-level 1) với biên độ lớn 102 cm/s2 Trường hợp sóng động đất cấp loại 1Kaihoku(Type 1-level 2) với biên độ lớn 318 cm/s Thời gian dao động 30 s với bước thời gian 0.01 s Mục đích việc lựa chọn hai trường hợp tải trọng động đất để thể làm việc kết cấu từ biến đổi cấp tải trọng tăng dần Hai dạng sóng động đất có biên độ lớn phân bố thời gian dao động lý lựa chọn phân tích phản ứng động Hình Hàm gia tốc theo thời gian động đất cấp cấp 2.2.3 Trình tự tính tốn Tải trọng thượng tầng, tải trọng sóng, dòng chảy gió tổ hợp tính tốn kết hợp với tải trọng đặc biệt động đất Tác động tổ hợp tải trọng thông thường xem trạng thái ban đầu phân tích làm việc kết cấu chân đế biến đổi theo thời gian Hơn nữa, tải trọng sóng dòng chảy tính tốn điều kiện khai thác, khơng phải cực trị Phương pháp phân tích phản ứng biến đổi thời gian, hệ số cản khai báo 0.05 cho dạng dao động riêng Sự làm việc phi tuyến vật liệu ống thép có xét đến suy giảm ăn mòn khai báo cách giảm chiều dày ống thép, bốn ống xiên nằm vùng dao động mực nước lựa chọn phân tích nghiên cứu Chiều dày suy giảm 0.85 chiều dày ống thép thiết kế điều kiện giới hạn yêu cầu sửa chữa hàm phi tuyến biến thiên theo thời gian (nonlinear time history analysis) sử dụng để xác định Có ba trường hợp phân tích đưa nghiên cứu này: STT Ký hiệu TH1 TH2 TH3 Bảng Các trường hợp phân tích Phi tuyến vật liệu ống Tải trọng tác động suy giảm Động đất cấp Thanh 121, 122, 123, 124 Động đất cấp Không xem xét Động đất cấp Thanh 121, 122, 123, 124 Các phản ứng kết cấu qua trình xử lý liệu phương pháp biến đổi hàm từ miền thời gian sang miền tần số để xác định tần số dao động riêng 2.3 Phương pháp biến đổi nhanh Fourier Phương pháp biến đổi nhanh Fourier (FFT) sử dụng nghiên cứu để xác định tần số dao động riêng kết cấu chân đế giàn khoan biển Phương pháp FFT dùng thuật Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 Phi tuyến tương tác cọc đất Có xem xét Có xem xét Có xem xét tốn để biến đổi chuỗi liệu từ miền thời gian sang miền tần số Công thức phương pháp là: N 1 X k xi e 2 i kj N , k 0,1, 2, , N (3) j 0 đó: xj - biến liệu miền thời gian Xk - biến liệu miền tần số, N=2n với số nguyên; tj=jt với j = đến N-1; = √−1 số phức 35 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Dữ liệu miền tần số thể theo hai cách, phổ biên độ xác định theo công thức: = | | (4) Hai phổ công suất, xác định theo công thức: = | 2| (5) Kết so sánh 3.1 Kết phân tích trị riêng Các tần số dao động riêng kết cấu chân đế giàn khoan thể bảng hình Khối lượng tham gia dao động tập trung lớn dạng dao động đầu tiên, chủ yếu hai dạng theo phương Y X chiếm 80% tổng khối lượng tham gia Dạng thứ dao động xoắn quanh trục Z với khối lượng tham giacác trục X, Y, Z không Bảng Các thông số đặc trưng động kết cấu chân đế giàn khoan STT Chu kỳ (s) Tần số (Hz) 0.594 0.587 0.437 0.215 0.210 1.682 1.705 2.287 4.662 4.769 Tỷ số khối lượng tham gia UX 0.175 0.669 0.000 0.110 0.000 UY 0.660 0.170 0.000 0.002 0.118 UZ 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 Ghi Theo phương Y Theo phương X Xoắn quanh Z Theo phương X Theo phương Y Hình Ba dạng dao động riêng kết cấu chân đế 3.2 Gia tốc phản ứng kết cấu Phản ứng gia tốc theo thời gian điểm số đỉnh kết cấu chân đế theo ba trường hợp TH1, TH2 TH3 thể hình Biên độ gia tốc TH1 nhỏ nhiều so với trường hợp lại Khi khơng xét làm việc phi tuyến 36 tương tác cọc đất chịu tải trọng động đất cấp hợp TH2 biên độ gia tốc TH2 lớn so với trường hợp TH3 Nguyên nhân làm việc phi tuyến đất cọc tác dụng tải trọng động đất cấp làm tăng chiều dài làm việc tự cọc độ cứng hệ kết cấu giảm Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG TH1 10 TH3 Điểm Gia tốc (m/s2) TH2 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 -5 25.0 30.0 Thời gian (s) -10 Hình Hàm gia tốc biến thiên theo thời gian điểm 3.3 Sự làm việc phi tuyến Sự làm việc tương tác cọc đất hai cấp động đất thể qua mối quan hệ lực cắt chuyển vị hai phần tử link lớp đất (cao độ z=-2m) link 31 lớp đất (cao độ z=-5m), xem hình hình tương ứng Trong hình 6, phi tuyến thể rõ tác dụng tải trọng động đất cấp Link (z=-2m) -0.04 Động đất 1(TH1) 40 20 -0.02 -20 0.00 0.02 0.04 -40 -60 Góc xoay (rad) Động đất 2(TH3) 150 Mơmen uốn M2 (kNm) Mômen uốn M2 (kNm) Động đất 2(TH3) 60 trường hợp TH3, TH1 động đất cấp thể phi tuyến nhỏ Sự làm việc phi tuyến thể không rõ hai cấp động đất phần tử link 31 lớp đất Bắt đầu từ phần tử link 31 xuống dưới, tương tác cọc đất tuyến tính Như vậy, tác dụng tải trọng động đất cấp phi tuyến thể rõ lớp đất phần lớp Link 31 (z=-5m) -0.004 Động đất 1(TH1) 100 50 -0.002 0.000 -50 0.002 0.004 0.006 -100 Góc xoay (rad) Hình Mối quan hệ lực cắt chuyển vị phần tử link lớp đất Hình Mối quan hệ lực cắt chuyển vị phần tử link 31 lớp đất Sự làm việc phi tuyến ống thép ba mặt phẳng vng góc phương tác động trường hợp TH1, TH2 TH3 thể qua mối quan hệ mơmen góc xoay hai phần tử Link 123 Link 124, xem hình Phần tử Link 123 nằm mặt phẳng song song với phương tác động tải trọng động đất phần tử Link 124 nằm động đất Tính phi tuyến thể rõ nét hai trường hợp TH2 TH3 trường hợp động đất cấp Trong đó, mômen uốn trường hợp TH2 không xem xét tính phi tuyến tương tác đất cọc lớn mơmen trường hợp TH3 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 37 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 50 15 40 Mômen uốn M2 (kNm) Link 124 Mômen uốn M3 (kNm) Link 123 10 30 20 10 Góc xoay 0.0000 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 -5 Động đất 2(TH2) Động đất 2(TH3) -10 Động đất 1(TH1) Động đất 2(TH2) Động đất 2(TH3) Động đất 1(TH1) -10 0.0000 0.0002 0.0004 Góc xoay (rad) 0.0006 Hình Mối quan hệ mơmen M2 góc xoay phần tử link 123 3.4 Xác định tần số dao động riêng từ phương pháp FFT Hàm biên độ phổ phản ứng miền tần số trường hợp TH1, TH2 TH3 thể hình 10, 11 12 tương ứng Vì phương tác dụng tải trọng tác dụng theo phương X nên tần số dao động riêng theo phương X thể rõ nét ba sơ đồ trên, xem bảng Nhận thấy rằng, giá trị tần số dao động riêng xác định theo phương pháp FFT nhỏ so với phương pháp trị riêng Trong TH1 làm việc phi tuyến vật liệu tương tác đất cọc không nhiều, giá trị tần số xấp xỉ theo phương pháp trị riêng Ảnh hưởng phi tuyến vật liệu bốn chéo xét đến suy giảm (chiều dày 85%) ảnh hưởng nhỏ đến thay đổi tần số dao động Hình Mối quan hệ mơmen M3 góc xoay phần tử link 124 riêng bản, chiếm 2.7%, ảnh hưởng phi tuyến tương tác cọc đất lớn chiếm 7.1% Do khối lượng phân bố tập trung chủ yếu cho dạng dao động nên biên độ Fourier rõ ràng dạng dao động Tần số dao động riêng thứ theo phương X xác định TH1 theo phương pháp FFT Biên độ phổ tần số 1.416 Hz TH3 lớn TH2, xuất tần số thấp ảnh hưởng phi tuyến tương tác đất cọc nhiều Hình 13 thể phổ biên độ hai trận động đất cấp 2, dải tần số từ đến Hz có biên độ tập trung nhiều, điều gây nhiễu khó cho việc xác định tần số dao động riêng theo phương pháp FFT Bảng Tần số dao động riêng theo phương X xác định theo phương pháp trị riêng xử lý FFT Tần số theo PP trị riêng, (Hz) Tần số 1.682 1.645 1.636 4.769 4.736 x Tần số Chú ý:∆ = ị ê − ị ê TH2 (%) TH3 (%) 1.563 2.2 2.7 7.1 x 0.7 x x TH2-Đ9-C2 15 1.636 Hz 4.736Hz 1 Tần số (Hz) Hình 10 Hàm biên độ phản ứng miền tần số TH1 điểm Biên độ phổ Fourier 1.645 Hz 38 TH1 (%) 100% TH1-Đ9-C1 Biên độ phổ Fourier Tần số theo phương pháp FFT TH1 TH2 TH3 Tần số riêng theo phương X 10 1.416 Hz 2.002 Hz 0 Tần số (Hz) Hình 11 Hàm biên độ phản ứng miền tần số TH2 điểm Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 500 TH3-Đ9-C2 20 15 Biên độ phổ 1.416Hz Biên độ phổ Fourier Động đất cấp Động đất cấp 400 1.563Hz 300 10 200 2.002 Hz 100 0 Tần số (Hz) Hình 12 Hàm biên độ phản ứng miền tần số TH3 điểm Kết luận khuyến nghị Phương pháp xác định tần số dao động riêng biến đổi nhanh Fourier thực dựa kết phản ứng gia tốc động kết cấu chân đế giàn khoan biển Sự làm việc phi tuyến vật liệu có xét đến suy giảm ăn mòn tương tác phi tuyến cọc đất xem xét mô hình tính Qua đưa số nhận xét sau: số (Hz) Tần Hình 13 Hàm biên độ phản ứng miền tần số TH3 điểm [1] Hillis A.J and Courtney C.R.P (2010),Structural health monitoring of fixed offshore structures using the bicoherence function of ambient vibration measurements Journal of sound and vibration, Vol.330, pp 1141-1152 [2] Nichols J.M (2003),Structural health monitoring of offshore structures using ambient excitation Journal of Applied Ocean Research, Vol 25, pp.101–114 [3] Wang S (2013), Damage detection in offshore platform structures from limited modal data, Journal of - Sự làm việc phi tuyến vật liệu tương tác cọc đất làm giảm tần số dao động riêng kết cấu, xác định rõ ràng qua phương pháp phân tích phản ứng động sử dụng biến đổi FFT Tuy nhiên, suy giảm chéo vùng dao động mực nước với chiều dày ăn mòn 85% chiều dày thiết kế ảnh hưởng nhỏ đến tần số riêng kết cấu Ảnh hưởng phi tuyến tương tác cọc đất đáng kể Trong điều kiện đất yếu lớp san hơ dày nên xem xét ảnh hưởng đến tính tốn phân tích động kết cấu giàn khoan biển; - Sự phi tuyến hệ kết cấu thể rõ thời điểm tương ứng với biên độ lực tác động lớn Tương ứng, ảnh hưởng nhiễu lớn dải tần số kích thích gây khó khăn cho việc xử lý xác định đặc trưng động lực học kết cấu giàn khoan Các tần số riêng với khối lượng tham gia dao động lớn dễ dàng nhận dạng Applied Ocean Research, Vol 41, pp 48–56 [4] Mojtahedi A., Lotfollahi Yaghin M.A , Ettefagh M.M , Hassanzadeh Y., Fujikubo M (2013), Detection of nonlinearity effects in structural integrity monitoring methods for offshore jacket-type structures based on principal component analysis, Journal of Marine Structures, Vol 33, pp 100–119 [5] Liu J , Li H., Wang Y and Hu A (2009), Modal Parameters Identification of Offshore Platform Structures using HHT Method, Proceedings of the Nineteenth International Offshore and Polar Engineering Conference, Osaka, Japan, ISSN 1098618, pp 242-248 [6] Asgarian B and Lesani M (2009), Pile–soil-structure interaction in pushover analysis of jacket offshore platforms using fiber elements, Journal of Constructional Steel Research, Vol 65, pp 209–218 [7] Specification for highway bridges (2002), part IV Substructure Japan road Accociation Ngày nhận bài:17/06/2016 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 Ngày nhận sửa lần cuối:10/10/2016 39 ... phổ công suất, xác định theo công thức: = | 2| (5) Kết so sánh 3.1 Kết phân tích trị riêng Các tần số dao động riêng kết cấu chân đế giàn khoan thể bảng hình Khối lượng tham gia dao động tập trung... động đất cấp 2, dải tần số từ đến Hz có biên độ tập trung nhiều, điều gây nhiễu khó cho việc xác định tần số dao động riêng theo phương pháp FFT Bảng Tần số dao động riêng theo phương X xác định. .. phương X Theo phương Y Hình Ba dạng dao động riêng kết cấu chân đế 3.2 Gia tốc phản ứng kết cấu Phản ứng gia tốc theo thời gian điểm số đỉnh kết cấu chân đế theo ba trường hợp TH1, TH2 TH3 thể