Hướng nghiên cứu tiếp theo của bài báo là nghiên cứu, tính toán hệ thống kết cấu công trình giàn khoan tự nâng chịu tải trọng động đất với các điều kiện biên khác nhau và so sánh để lựa[r]
(1)TÍNH TỐN KẾT CẤU GIÀN KHOAN TỰ NÂNG 400ft
CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT, ĐIỀU KIỆN ĐỘNG ĐẤT
TẠI BIỂN NAM VIỆT NAM
Đinh Quang Cường1*, Trần Thành Long2, Hoàng Tiến Dũng2, Mai Văn Mạnh2
Tóm tắt: Giàn khoan tự nâng dạng cơng trình lớn Trong trạng thái vận hành thân giàn nâng lên cao với khối lượng tập trung thân lớn Đây bất lợi cơng trình chịu tải trọng động đất Bài báo đề xuất sơ đồ khối bước tính kết cấu cơng trình biển cố định thép áp dụng để tính kết cấu giàn khoan biển tự nâng - trạng thái khai thác - chịu tải trọng động đất Các vấn đề báo giải bao gồm: Mơ hình hóa kết cấu, mơ hình hóa điều kiện biên, tính dao động riêng giàn khoan tự nâng, thiết lập phổ gia tốc theo tiêu chuẩn ISO 19901-2:2004, tính toán, kiểm tra bền kết cấu giàn khoan tự nâng Các tính tốn thực giàn khoan tự nâng 400ft điều kiện cụ thể Việt Nam.
Từ khóa: Giàn khoan tự nâng 400ft; tải trọng động đất.
Aanalyses of 400 ft jack up platform under earthquake load condition of South Vietnam sea
Abstract: Self-elevating unit is a type of floating marine structure with large dimensions In operating condition, the hull is pulled up with relatively large concentrated mass This is an unfavourable factor as the structure is subjected to earthquake loads This article outlined a flow chart of steps for analyzing fixed steel marine structure and applying to calculate self-elevating structure subjected to earthquake load in operating condition The issues are dealt with included: Structural modeling, modeling of boundary con-ditions, computing natural oscillation of self-elevating unit, establishing spectrum of ground acceleration according to ISO 19001-2:2004 standard, calculation and strength checking of self-elevating structure All calculations are carried out on 400ft selt-elevating unit in specific sea condition of Vietnam.
Keywords: Self-elevating unit; seismic loads.
Nhận ngày 31/08/2017; sửa xong 20/9/2017; chấp nhận đăng 26/9/2017
Received: August 31th, 2017; revised: September 20th, 2017; accepted: September 26th, 2017
1 Giới thiệu chung giàn khoan tự nâng 400 ft
Xu hướng khai thác dầu khí Việt Nam giới giai đoạn tiến biển xa hơn, thăm dị khai thác dầu khí điều kiện phức tạp Giàn khoan tự nâng với linh hoạt lựa chọn hiệu cho xu hướng Giàn khoan tự nâng 400ft (Hình 1) có khối lượng lớn (khoảng 18000 tấn), bao gồm kết cấu chính: thân, chân, khối nhà ở, sân bay, cụm tháp khoan nhiều thiết bị công nghệ phục vụ công tác khoan thăm dò phục vụ hoạt động nâng, hạ, di chuyển giàn khoan tự nâng
Một số thơng số giàn khoan tự nâng 400ft sau Giàn khoan tự nâng 400ft có
1 PGS.TS, Viện Xây dựng Cơng trình biển Trường Đại học Xây dựng 2 KS, Viện Xây dựng Cơng trình biển Trường Đại học Xây dựng. *Tác giả E-mail: cuongdq.vctb@gmail.com.
(2)khả hoạt động vùng biển sâu tối đa 400ft (~120m nước), với độ cao nâng thân tối đa 132m (kể từ mặt đáy biển); Giếng khoan sâu đạt 9000m; Khả chất tải tới 2.995 - bao gồm thiết bị khối lượng dằn để phục vụ mục đích nâng, hạ giàn khoan dằn phục vụ toán ổn định di chuyển; Tổng khối lượng thân giàn 10.000 tấn, tổng khối lượng giàn khoảng 18.000
2 Bài toán động lực học giàn khoan tự nâng chịu tải trọng động đất
Khi đất chuyển động động đất, phần gối đỡ hệ kết cấu gắn với mặt đất dao động cưỡng theo với gia tốc gia tốc gây lên lực qn tính Phương trình (1) phương trình động lực học tổng quát hệ nhiều bậc tự chịu tác động động đất [1]
Mu (t) + Cu̇(t) + Ku(t) = -Mrug (t) (1)
trong đó: Các ma trận M ma trận khối lượng tổng thể kết cấu (bao gồm khối lượng hà bám khối lượng nước kèm); C ma trận cản hệ thống kết cấu; K là ma trận độ cứng hệ thống kết cấu; u(t)
là vector gia tốc; u̇(t) là vector vận tốc; u(t) chuyển vị phản ứng kết cấu; üg(t) là vector gia tốc đạo hàm bậc hai chuyển vị đất động đất gây ra; r vector cosin phương góc chuyển vị đất hướng chuyển vị nút hệ tọa độ tổng thể
Để giải phương trình (1), hệ tuyến tính sử dụng phương pháp chồng nghiệm, cách xác định dạng dao động riêng, sau đưa hệ tọa độ suy rộng cách chéo hóa ma trận thành phần phương trình (1) Khi ta có hệ phương trình dao động độc lập bậc tự Bài toán dao động riêng hệ thống kết cấu - công nghệ giàn khoan tự nâng thực giải phương trình (2):
Mu(t) + Cu̇(t) + Ku(t) = (2) Trong thực tế, tính tốn dao động riêng cho giàn khoan tự nâng, ảnh hưởng lực cản đến dao động riêng khơng đáng kể để đơn giản hóa tốn ta bỏ qua ảnh hưởng cản tính tốn dao động riêng Phương trình dao động riêng khơng cản viết lại phương trình (3):
Mu(t) + Ku(t) = (3) Các bước để tính kết cấu cơng trình biển cố định thép nói chung tính kết cấu cơng trình giàn khoan tự nâng 400ft - trạng thái khai thác - nói riêng, chịu tải trọng động đất theo sơ đồ sau (Hình 2):
(3)Các ma trận M*, C*, K*, F* ma trận khối lượng, ma trận cản, ma trận độ cứng, ma trận tải trọng động đất hệ tọa độ suy rộng Các ma trận thu cách chéo hóa ma trận khối lượng, ma trận cản, ma trận độ cứng tương ứng theo ma trận dạng dao động riêng thu sau giải dao động riêng hệ kết cấu Qua trình biến đổi, ta tìm lực động đất tác dụng vào cơng trình theo dạng dao động từ xác định nội lực hệ ứng với dạng dao động riêng biệt tồn dạng dao động thơng qua số lượng phản ứng dạng dao động
3 Tính kết cấu giàn khoan tự nâng 400ft chịu tải trọng động đất
3.1 Số liệu đầu vào để tính kết cấu giàn khoan tự nâng 400ft
3.1.1 Các số liệu kết cấu thiết bị giàn khoan tự nâng 400ft
Các số liệu ban đầu kết cấu thiết bị giàn khoan tự nâng 400ft cho Bảng
Bảng Đặc điểm cơng trình thơng số tính tốn
Quy mơ kết cấu giàn khoan tự nâng 400ft Vật liệu Số liệu tính tốn
- Chiều dài lớn thân: 70,4 m - Bề rộng lớn thân: 76 m
- Chiều cao thân: 9,5 m - Số lượng chân giàn: chân - Chiều dài chân: 168 m - Tổng khối lượng kết cấu, hàng hóa thiết bị
mang theo: 20995
- Mô đun đàn hồi: E = 20000 kN/cm2
- Mô đun đàn hồi trượt: G = 8000 kN/cm2
- Giới hạn bền: Fy = 34.5 kN/cm2
- Khối lượng riêng:
γ = 78.5 KN/m3
- Độ sâu nước: 122m - Độ chôn sâu đế chân: 3m
- Độ tĩnh không: 12.2 m - Chiều dày hà bám: 1.2 cm - Khối lượng kết cấu: 18000
- Khối lượng hàng hóa thiết bị: 2995
3.1.2 Các số liệu địa chất cơng trình
Số liệu địa chất lựa chọn địa chất cơng trình mỏ Thiên Ưng, với lớp đất chịu lực vùng cắm đế chân giàn khoan tự nâng cát hạt nhỏ chặt vừa Từ liệu này, theo [2] tính số liệu độ cứng lò xo liên kết (Bảng 2) để đưa vào mơ hình tính kết cấu
3.1.3 Phổ gia tốc hệ số cản
Giá trị gia tốc phổ tính tốn lấy theo cơng thức sau: Sa,ALE (T) = NALE*Sa,site (T) (4)
trong đó: Sa,site(T) phổ gia tốc ứng với chu kỳ lặp 1000 năm hệ bậc tự chu kỳ dao động
riêng T; NALE hệ số điều kiện bất thường quy định theo mức độ quan trọng cơng trình (Bảng 2); Sa,ALE(T) giá trị phổ gia tốc tính tốn Với số lượng 140 người có bố trí sơ tán chọn mức độ rủi ro
L1 [3] cho giàn khoan tự nâng 400ft
Hệ số cản tổng cộng lấy 7% theo [2] (Bảng 3) Phổ gia tốc thiết kế (Bảng 4), (Hình 3) xác định theo [4]
Mức độ rủi ro Hệ số tỷ lệ mức độ động đất bất thường N
ALE
L3 0.85
L2 1.15
L1 1.60
Thành phần Hệ số cản lớn nhất
Kết cấu %
Nền móng %
Lực cản thủy động %
Bảng Hệ số NALE
Bảng Hệ số cản
(4)Bảng Số liệu đầu vào phổ thiết kế
STT Chu kỳ Gia tốc
(s) (m/s2)
15 2.0 0.237
16 2.5 0.189
17 3.0 0.158
18 3.5 0.135
19 4.0 0.118
20 4.5 0.094
21 5.0 0.076
22 6.0 0.053
23 7.0 0.039
24 8.0 0.030
25 9.0 0.023
26 10.0 0.019
27 11.0 0.016
2.2 Mơ hình hóa kết cấu giàn khoan tự nâng 400ft
Các kết cấu giàn khoan tự nâng 400ft bao gồm thân, chân đế chân mơ hình hóa theo phương pháp phần tử hữu hạn phần tử phần tử Phần tử dùng loại phần tử hai nút phần tử dùng ba nút, bốn nút [5] Các kết cấu phụ (khối nhà ở, cụm tháp khoan, sân bay trực thăng hệ thống kết cấu công nghệ khác) mô tả khối lượng đặt trọng tâm kết cấu phụ
Các điều kiện biên gồm liên kết chân - thân liên kết nối đất mơ hình hóa theo tiêu chuẩn SNAME [2] Liên kết chân thân giàn khoan tự nâng gồm hệ thống răng, dẫn hướng chốt chuyên dụng
Giữa dẫn hướng ln có khoảng hở Khoảng hở (GAP) mô tả thông qua phần tử chịu nén Khi chân hay thân chuyển vị khoảng hở cho phép liên kết làm việc [4] Liên kết chân thân giải phóng tồn phương xoay chịu lực theo phương đứng phương ngang mặt phẳng chứa chi tiết ngàm hệ thống thủy lực
Liên kết nối đất mô tả phương án Phương án thứ bao gồm lò xo phân bố mặt đế chân theo cụm ba lò xo bao gồm hai lò xo theo phương ngang lò xo theo phương đứng, đặt nút lưới phần tử hữu hạn Độ cứng lị xo cụm tính diện tích phần tử đế chân mà lị xo đại diện Phương án thứ hai khớp dạng lò xo điểm mũi đế chân, đế chân tựa điểm mũi đế chân Mỗi mũi đế chân gán ba lò xo, hai lò xo theo phương ngang lò xo theo phương đứng Độ cứng lò xo tính diện tích hiệu dụng bề mặt tiếp xúc đế chân với
Các tính toán dao động riêng báo thực với hai phương án liên kết nêu trên, so sánh dao động riêng hai phương án tính tốn động đất cho giàn khoan phương án cho chu kỳ dao động riêng lớn
2.3 Xác định độ cứng liên kết kết cấu giàn khoan tự nâng 400ft với nền
Độ cứng lị xo liên kết tính tốn theo [2] Kết tính tốn thể Bảng
Độ cứng lò xo phương đứng: (5)
Độ cứng lò xo theo phương ngang: (6)
STT Chu kỳ Gia tốc
(s) (m/s2)
1 0.1 0.585
2 0.2 0.836
3 0.3 0.836
4 0.4 0.836
5 0.5 0.836
6 0.6 0.789
7 0.7 0.677
8 0.8 0.592
9 0.9 0.526
10 1.0 0.474
11 1.2 0.395
12 1.4 0.338
13 1.6 0.296
(5)trong đó: B đường kính hiệu dụng lớn phần spudcan tiếp xúc với đất; ν hệ số Poisson; Gv
là mô đun kháng cắt tải trọng theo phương đứng GH mô đun kháng cắt tải trọng theo
phương ngang
Mô đun kháng cắt tải trọng theo phương đứng: (7)
Mô đun kháng cắt tải trọng theo phương ngang: (8)
trong đó: A diện tích hiệu dụng spudcan; VL0 tải trọng lớn theo phương đứng tác dụng lên spudcan
Bảng Kết tính độ cứng lị xo theo phương án thứ hai
B
(m) VL0 (KN) (mA2) ν (KN/mGv 2) (KN/mGh 2) (KN/m)K1 (KN/m)K2
17.985 97920 257.48 0.3 39369.7 3936.97 2023038 172398
Hình Sơ đồ tính kết cấu giàn khoan tự nâng 400ft
a) Sơ đồ kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn; b) Lò xo liên kết đế chân với nền. 2.4 Tính dao động riêng kết cấu giàn khoan tự nâng 400ft
Dao động riêng kết cấu giàn khoan tự nâng 400ft tính nhờ chương trình phần mềm ANSYS [5] Trên thực tế báo tính 10 dạng dao động riêng mà khối lượng tham gia dao động đạt 90% Bảng liệt kê kết ba dạng Hình mơ tả ba dạng dao động riêng giàn khoan tự nâng 400ft
Bảng Các chu kỳ dao động riêng giàn khoan tự nâng 400ft ứng với điều kiện biên
Phương
án Loại liên kết
Chu kỳ dao động riêng (s) Số lượng
mode tính toán
Tỷ lệ khối lượng tham gia
dao động (%)
Mode 1 Mode 2 Mode 3
1 Lò xo phân bố mặt đế chân 6.25 6.08 1.5 10 92.64
2 Lò xo điểm mũi của đế chân 9.82 9.3 1.5 10 92.85
(6)2.5 Tính kết cấu giàn khoan tự nâng chịu tải trọng động đất
Việc tính tốn kết cấu giàn khoan tự nâng 400ft thực nhờ chương trình phần mềm Ansys Về ngun tắc, phải tính tốn kiểm tra kết cấu hai điều kiện biên liệt kê Bảng Tuy nhiên, khuôn khổ báo, để cập tính tốn kiểm tra với phương án thứ hai Hình số kết tốn
Hình Kết gia tốc phản ứng theo phương X, Y, Z 2.6 Kiểm tra bền số phần tử có nội lực lớn giàn
Áp dụng tiêu chuẩn API [6] để tiến hành kiểm tra bền cho kết cấu Phần tử ống có nội lực lớn nằm phần giao với đế chân Phần tử có ứng suất lớn đứng thuộc đế chân Kiểm tra nút phần mềm Ansys vị trí lực dọc ống nhánh lớn gần đế chân (Hình 7)
Bảng Kết kiểm tra bền phần tử thuộc ống chính
Loại
phần tử phần tửSố hiệu Lực dọc (N) Momen (Nm) UC Kết luận
Ống 9023 3.7959x10^7 5229.6 0.546 Đạt
Bảng Kết kiểm tra bền phần tử thuộc đế chân
Loại
phần tử phần tửSố hiệu
Ứng suất tương đương
(MPa)
Ứng suất chảy của vật liệu 1.33Fy (MPa)
Ứng suất cho phép
0.931Fy (MPa) Kết luận
Vách đứng 52994 224.9 355 330.505 Đạt
Hình Những vị trí nội lực ứng suất lớn kết cấu giàn tự nâng 400ft Bảng Kết kiểm tra bền nút
Nội lực
(N) - (Nm) Khả chống chọc thủng (N) - (Nm)
UC Lực dọc uốn Momen
mặt phẳng
Momen uốn
mặt phẳng Lực dọc
Momen uốn mặt phẳng
Momen uốn mặt phẳng
(7)Hình Kiểm tra bền nút
4 Kết luận
Bài báo đưa sơ đồ khối bước tính kết cấu cơng trình giàn khoan biển tự nâng chịu tải trọng động đất theo phương pháp phổ áp dụng thành công để tính tốn cụ thể cơng trình giàn khoan tự nâng 400ft chịu tải trọng động đất theo phân vùng động đất Việt Nam phần mềm Ansys
Sơ đồ tổng thể hệ thống kết cấu giàn khoan tự nâng 400ft xây dựng báo theo phương pháp phần tử hữu hạn bao gồm hệ thống kết cấu thân, chân đế chân Các kết cấu khác, bao gồm khối nhà ở, cụm tháp khoan, sân bay hệ thống công nghệ, coi khối lượng tập trung tham gia dao động sơ đồ tổng thể
Các liên kết hệ thống kết cấu với mô hình hóa dạng lị xo theo kịch khác nhằm phân tích hệ thống kết cấu theo trường hợp cụ thể, dự đoán xảy khai thác cơng trình giàn khoan tự nâng
Kết tính tốn cho thấy, giàn tự nâng 400ft có đủ khả vận hành an tồn điều kiện xảy động đất vùng biển Việt Nam, trường hợp nguy hiểm coi đế chân tựa đất điểm
Hướng nghiên cứu báo nghiên cứu, tính tốn hệ thống kết cấu cơng trình giàn khoan tự nâng chịu tải trọng động đất với điều kiện biên khác so sánh để lựa chọn mơ hình liên kết phù hợp với số điều kiện địa chất điển hình khu vực biển Việt Nam Hướng nghiên cứu tiếp tục thực đề tài cấp Nhà nước SPQG02b.01.01
Tài liệu tham khảo
1 Barltrop N.D.P, Adams A.J (1991), Dynamics of Fixed marine structures, London
2 SNAME T&R 5-5A (2002), Guidelines for Site Specific Assessement of Mobile Jack-up Units, New Jersey ISO 19902:2007 E (2007), Petroleum and natural gas industries - Fixed steel offshore structures, Switzerland
4 ISO 19901-2:2004 (2005), Petroleum and naturalgas industries - Specific requirements for offshore struc-tures - Part 2: Seismic design procedures and criteria
5 Ansys Inc (2013), Theory Manual