trỡnh biển 1.2.1. Tổng quan về cụng trỡnh biển Tuỳ theo vị trớ, tớnh chất làm việc, mục đớch sử dụng và vật liệu chế tạo, cú thể phõn ra cỏc loại cụng trỡnh biển sau: Theo vị trớ của cụng trỡnh so với bờ, người ta phõn ra ba loại là: cụng trỡnh biển ven bờ (kố bờ biển, cảng biển, ...), cụng trỡnh biển ngoài khơi (giàn khoan dầu khớ, nhà giàn DKI và cụng trỡnh biển ngoài hải đảo (kố chống xúi lở đảo, bến cập tàu, cập xuồng, cỏc cụng trỡnh trờn đảo, ...).
Theo tớnh chất cố định của cụng trỡnh, cụng trỡnh biển được phõn ra hai loại là cụng trỡnh biển cố định – loại cụng trỡnh được xõy dựng cố định tại một vị trớ trong suốt thời gian sử dụng (giàn khoan dầu khớ, trạm nghiờn cứu khớ tượng thuỷ hải văn trờn biển, nhà giàn DKI, ...) và cụng trỡnh biển di động – loại cụng trỡnh khụng cố định một cỏch thường xuyờn tại một vị
trớ (giàn khoan di động, tàu khoan, ...).
Căn cứ vào loại vật liệu làm cụng trỡnh, người ta phõn ra bốn loại là: cụng trỡnh biển bằng thộp, cụng trỡnh biển bằng bờ tụng, cụng trỡnh biển bằng bờ tụng cốt thộp và cụng trỡnh biển bằng vật liệu tổng hợp.
Trờn Thế giới, do phỏt triển giao thương hàng hải và khai thỏc tài nguyờn trờn thềm lục địa, cụng trỡnh biển được nghiờn cứu, phỏt triển sớm và đó đạt nhiều thành tựu đỏng kể, đặc biệt là cỏc cụng trỡnh biển phục vụ
khai thỏc dầu khớ, quan trắc khớ tượng thuỷ hải văn. Năm 1947 xuất hiện giàn khoan thộp đầu tiờn ở độ sõu 6m trờn Vịnh Mexich thuộc Mờxicụ, năm 1949 cỏc giàn khoan khỏc đó lần lượt xuất hiện tại nhiều nước, đạt đến
độ sõu 15m nước. Năm 1950 xuất hiện giàn khoan đạt độ sõu 30m nước, thỡ đến năm 1960 độ sõu này tăng đến 60m nước và chỉ trong vũng 10 năm
tiếp theo, năm 1970 đó xõy dựng giàn khoan đặt ở độ sõu 300m nước, đạt kỷ lục quan trọng trong cỏc cụng trỡnh biển núi chung và ngành khai thỏc dầu khớ núi riờng tớnh đến nay và ghi một mốc quan trọng trong kỹ thuật tớnh toỏn, thiết kế và thi cụng cỏc loại cụng trỡnh này. Hiện nay đó cú một số giàn khoan khổng lồ như giàn khoan Bull Kenkle của Mờxicụ đặt tại độ
sõu 420m nước, nặng 56.000 tấn và giàn khoan di động Hải Dương 981 (Hỡnh 1.1) của Trung quốc chế tạo và đưa vào sử dụng tại Biển Đụng, nặng hơn 30.000 tấn, giàn khoan cú thể hoạt động ở độ sõu 3000m nước và khoan sõu hơn 10.000m.
Hỡnh 1.1. Giàn khoan “Dầu Khớ Hải Dương 981” trờn Biển Đụng
Hai-Bơ-Nia của Canada (Hỡnh 1.2) được xem là giàn khoan lớn nhất thế giới bao gồm phần nổi nặng 37.000 tấn, nằm trờn kết cấu múng trọng lực (GBS) 600.000 tấn cựng với 450 nghỡn tấn đỏ ba-lat để cốđịnh cấu trỳc này. Giàn khoan này trụ vững giữa mụi trường rất khắc nghiệt, thường xuyờn cú súng lớn, sương mự, băng giỏ, bóo tố, do đú người ta phải "cột chặt" nú trờn một GBS cắm sõu xuống đỏy biển 80m, chiều cao của giàn khoan lờn tới 224m.
Hỡnh 1.2. Toàn cảnh giàn khoan Hai – bơ – nia
Tại Việt Nam, với đặc thự là một quốc gia biển, cỏc cụng trỡnh biển là một trong những lĩnh vực được quan tõm hàng đầu, nhưng so với Thế giới cũn nhiều hạn chế. Do nhu cầu và trỡnh độ phỏt triển của đất nước, cỏc cụng trỡnh biển ở Việt Nam được chỳ ý nghiờn cứu bắt đầu từ những năm 1980, đặc biệt là trong khoảng 15 năm gần đõy.
Cụng trỡnh kố chống xúi lở cỏc đảo san hụ xa bờ và cỏc đảo gần bờ là một trong nhiều minh chứng. Cỏc cụng trỡnh giàn khoan dầu khớ phục vụ
kinh tế quốc dõn, cụng trỡnh DKI phục vụ an ninh quốc phũng và nhiều cụng trỡnh ven bờ cũng chứng tỏ sự quyết tõm thực hiện chiến lược biển của Đảng, Nhà nước và sự phỏt triển kỹ thuật ngày càng mạnh trong lĩnh vực này. Tại Cảng Vietsovpetro Vũng Tàu, sỏng 2-5-2012, xớ nghiệp Xõy lắp Khảo sỏt và Sửa chữa Vietsovpetro đó tiến hành hạ thủy thành cụng chõn đế giàn khoan nước sõu Hải Thạch xuống xà lan bằng phương phỏp kộo trượt (Hỡnh 1.3). Đõy được đỏnh giỏ là chõn đế giàn khoan hiện đại nhất Việt Nam tớnh đến thời điểm này, với chiều dài tổng cộng 140m, trọng lượng 7.500 tấn, hạđặt ở độ sõu 131m nước.
Hỡnh 1.3. Chõn đế giàn khoan Hải Thạch được kộo trượt xuống sà lan
Đối với cỏc cụng trỡnh nhà giàn phục vụ an ninh quốc phũng hầu hết
được xõy dựng trờn cỏc đảo chỡm, gúp phần làm nhiệm vụ trấn giữ vựng biển của Tổ quốc. Kết cấu nhà giàn loại này theo kiểu chõn đế múng cọc, gồm phần múng cọc, phần sàn cụng tỏc và phần thượng tầng (Hỡnh 1.4).
1.2.2. Tổng quan về tải trọng tỏc dụng lờn cụng trỡnh biển
Cụng trỡnh biển chịu tỏc dụng của nhiều loại tải trọng và chịu ảnh hưởng của điều kiện tự nhiờn khắc nghiệt. Trong cỏc loại tải trọng tỏc dụng lờn cụng trỡnh biển, súng biển và giú là hai loại tải trọng nguy hiểm mà cụng trỡnh thường xuyờn chịu đựng và chỳng cũng là loại tải trọng nổi trội hơn cả. Trong phạm vi nghiờn cứu của luận ỏn tỏc giả chỉ trỡnh bày những nội dung cơ bản của hai loại tải trọng súng và giú phục vụ
cho việc giải quyết bài toỏn đặt ra của luận ỏn ở cỏc chương tiếp theo.
1.2.2.1. Tải trọng súng biển:
Súng biển do giú tạo nờn, dưới tỏc dụng của giú, tạo ra ma sỏt giữa khụng khớ và nước và do tỏc dụng của trọng lực, cỏc phần tử nước sẽ chuyển
động tạo thành súng. Nhỡn chung súng biển là súng ngẫu nhiờn, trong điều kiện lý tưởng nào đú thỡ người ta cú thể xem súng biển là súng điều hũa. Tải trọng súng biển tỏc dụng lờn cụng trỡnh là rất lớn, do vậy nghiờn cứu đầy đủ
về súng biển là nhiệm vụ quan trọng. Cú nhiều nghiờn cứu về tải trọng súng biển tỏc dụng lờn cụng trỡnh, phổ biến là cỏc lý thuyết súng tiền định và ngẫu nhiờn. Đối với quan niệm súng tiền định, thường sử dụng lý thuyết súng tuyến tớnh như súng Airy hoặc lý thuyết súng phi tuyến như súng Stockes, tải trọng súng biển được xỏc định theo cụng thức Morison.
a, Súng tiền định:
Lý thuyết súng tuyến tớnh Airy là lý thuyết súng đơn giản nhất được
đưa ra bởi G.B.Airy vào năm 1842 và được phỏt triển bởi Dawson năm 1989 [67]. Theo đú súng được mụ tả dưới dạng hỡnh sin với giả thiết chiều cao súng được coi là bộ so với chiều dài súng và độ sõu của nước biển (Hỡnh 1.5). Trong khoa học cụng trỡnh biển, giả thiết này dự chưa chặt chẽ
nhưng vẫn cú giỏ trị trong tớnh toỏn, mụ tả cỏc đặc trưng cơ bản của súng biển nờn hiện nay vẫn được sử dụng.
w Day bien, y= −d w a w a y 0
Muc nuoc tinh, y 0= w L / 2 π 3 / 2π w d w
Toc do truyen song C
( ) w η θ π 2π Dinh song Bung song w k x θ = w w H =2a Hỡnh 1.5. Mụ tả bề mặt súng biển Trờn hỡnh 1.5 mụ tả chuyển động của một súng biển điều hũa dạng hỡnh sin, với cỏc thụng số súng biển gồm: aw - độ cao đỉnh súng so với mực nước tĩnh, Hw = 2aw - chiều cao súng, Lw - chiều dài bước súng, Tw - chu kỳ súng, dw - chiều sõu đỏy biển so với mực nước tĩnh, kw = 2π/Lw - số
súng, ωw = 2π/Tw - tần số súng, Cw = Lw/Tw - tốc độ truyền súng, ηw - độ
cao mặt súng so với mực nước tĩnh.
b, Súng ngẫu nhiờn:
Trờn thực tế, súng được gõy ra chủ yếu bởi giú, ở giai đoạn đầu cỏc súng cú biờn độ bộ và bước súng ngắn. Khi giú tiếp tục thổi, cỏc súng này sẽ lớn dần, đồng thời tiếp tục gõy ra cỏc súng bộ khỏc. Cỏc súng này kết hợp với cỏc súng lớn đó cú làm cho biờn dạng súng khụng cũn điều hũa. Tổ
hợp của nhiều súng với cỏc biờn độ súng khỏc nhau tạo thành một quỏ trỡnh ngẫu nhiờn. Cú thể xem súng biển ngẫu nhiờn như tổ hợp của vụ số súng tuyến tớnh với cỏc biờn độ an, tần số ωn, cỏc số súng kn khỏc nhau [7] và với cỏc pha ban đầu αn phõn bố đều trong đoạn [0; 2π], độ cao mặt súng
( )
w x, t
η được xỏc định theo cụng thức sau:
( ) ( ) ( ) w n n n n n 1 n 1 x, t ∞ x, t ∞ a cos k x t = = η =∑η =∑ − ω (1.1)
Quỏ trỡnh ngẫu nhiờn của độ cao mặt súng ηw( )x, t so với mực nước tĩnh thường được giả thiết là quỏ trỡnh ngẫu nhiờn qui tõm, cú phõn bố
chuẩn, dừng và ergodic. Đểđặc trưng cho súng biển ngẫu nhiờn người ta sử
dụng phổ súng, cỏc phổ súng nhận được trờn cơ sở quan trắc súng trong thời gian dài. Cỏc phổ súng thụng dụng là phổ Pierson-Mostkowitz và phổ
JONSWAP.
Phổ súng Pierson-Mostkowitz (phổ P-M) được đưa ra từ năm 1964, xõy dựng cho trạng thỏi súng biển đó phỏt triển hoàn toàn. Phổ P-M được xem là phự hợp với vựng biển Việt Nam [7], cú dạng:
( ) A5 B4
Sηη ω = exp⎡− ⎤ ⎢ ⎥
ω ⎣ ω ⎦ (1.2)
trong đú: cỏc hằng số A và B được tớnh theo chiều cao súng Hw và chu kỳ
trung bỡnh T0 của súng: 2 3 3 w 4 4 0 0 H 16 A 4 ; B T T π = π = (1.3)
Trờn hỡnh 1.6 là phổ P-M với một vài giỏ trị tham số khỏc nhau.
0 5 10 15 20 25 0 0.5 1 1.5 2 2.5 ω (s-1) Sηη (m2.s) hs = 8m, T0 = 16s hs = 10m, T0 = 8s w 0 w 0 8 , 16 10 , 8 = = = = H m T s H m T s ( 2 ) Sηη m ⋅s Hỡnh 1.6. Phổ độ cao mặt súng của Pierson-Moskowitz
c, Tải trọng súng tỏc dụng lờn cụng trỡnh biển hệ thanh:
Trờn hỡnh 1.7 là mụ hỡnh tải trọng súng biển tỏc dụng lờn thanh hỡnh trụ
thẳng đứng cú đường kớnh D [7], [9], [20]. Đối với cỏc phần tử kết cấu dạng thanh cú đường kớnh nhỏ so với chiều dài súng (D/L < 0,2) cú thể bỏ qua
ảnh hưởng của hiện tượng nhiễu xạ súng, tải trọng súng tỏc dụng lờn cỏc phần tử thanh được tớnh theo cụng thức Morison.
( )
p y, t
w
d
Huong truyen song
y
x
D
Hỡnh 1.7. Lực súng tỏc dụng lờn cột trụ thẳng đứng
Theo đú, tải trọng súng biển tỏc dụng lờn kết cấu gồm: lực quỏn tớnh (gõy ra bởi gia tốc của chất lỏng) và lực cản vận tốc (gõy ra bởi vận tốc của chất lỏng). Lực phõn bố p(y,t) tỏc dụng lờn cột theo phương truyền súng là tổ
hợp của lực quỏn tớnh và lực cản [34], [38], [43], [44], [46], [47].
1.2.2.2. Tải trọng giú:
Tải trọng giú thường chiếm khoảng từ 5% đến 10% tổng hợp lực do mụi trường tỏc dụng lờn cụng trỡnh biển [7], [48], [53], [62]. Tuy nhiờn tần suất xuất hiện của giú là lớn, nờn ảnh hưởng khụng nhỏđến cụng trỡnh, đặc biệt là độ bền mỏi và tuổi thọ làm việc của cụng trỡnh. Việc tớnh toỏn tải trọng giú tỏc dụng lờn cụng trỡnh biển là rất phức tạp do kết cấu cụng trỡnh
gồm nhiều bộ phận khỏc nhau như cột, mỏi, sàn cụng tỏc, thỏp giàn khoan, cần cẩu, …, chỳng chịu tỏc động của giú theo nhiều cỏch khỏc nhau. Bờn cạnh đú, bản chất tỏc dụng của giú là một trường quỏ trỡnh ngẫu nhiờn, tần số giú thay đổi một cỏch ngẫu nhiờn theo cả chiều của hướng giú thổi và chiều thẳng gúc với hướng giú thổi.
Áp lực giú tỏc động lờn cụng trỡnh biển là đại lượng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đú mật độ khụng khớ, diện tớch bề mặt cụng trỡnh mà giú tỏc động và vận tốc giú là cỏc đại lượng ảnh hưởng nhiều nhất. Trong trường hợp tổng quỏt, gọi ψ là gúc hợp bởi phương vận tốc giú và phỏp tuyến bề mặt kết cấu chịu tỏc động, ỏp lực giú pwin(t) tỏc động lờn diện tớch A của cụng trỡnh được xỏc định theo biểu thức [37], [44], [48], [58]:
( ) ( ) 2
win p air win
1
p t C U t cos
2 ⎡ ⎤
= ρ ⎣ ⎦ ψ (1.4)
trong đú: Cp là hệ số ỏp lực giú, ρair là khối lượng riờng khụng khớ, Uwin(t) là vận tốc giú.
Trường hợp vộctơ vận tốc giú UGwin( )t trựng với vộctơ phỏp tuyến bề
mặt kết cấu, cụng thức xỏc định ỏp lực giú (1.4) trở thành:
( ) ( ) 2
win p air win
1
p t C U t
2 ⎡ ⎤
= ρ ⎣ ⎦ (1.5)
Trong (1.4), (1.5), nếu vận tốc giú khụng đổi U(t) = U0 = const, thỡ cú thể xem kết cấu chịu tỏc dụng của xung lực tức thời, cú giỏ trị
2
0 p air 0
1
p C U
2
= ρ . Trong phạm vi nghiờn cứu của luận ỏn, tỏc giả giải quyết bài toỏn hệ thanh trờn nền san hụ chịu tỏc dụng của tải trọng giú, với vận tốc giú là đại lượng phụ thuộc thời gian.
1.3. Tổng quan về tớnh toỏn cụng trỡnh biển
Cựng với sự phỏt triển chung của Thế giới và nhu cầu thực tế đặt ra,
đối với nước ta từ những năm 1980 trở lại đõy, việc nghiờn cứu về cụng trỡnh biển đó được quan tõm và thực hiện một cỏch hệ thống. Nghiờn cứu, tớnh toỏn, thiết kế và thi cụng cỏc cụng trỡnh biển đó được cỏc cơ quan, tổ
chức, cỏc tập thể nhà khoa học trong nước thực hiện trờn nhiều phương diện, từ cỏc nghiờn cứu về điều kiện làm việc của cụng trỡnh, đặc điểm sử
dụng, cho đến cỏc nghiờn cứu tổng thể kết cấu với cỏc dạng tải trọng tỏc dụng, từng bước hoàn thiện tớnh toỏn sỏt hơn với điều kiện làm việc thực của cụng trỡnh. Trong [5], [6], [15], [16], [17] cỏc tỏc giả Hoàng Xuõn Lượng, Nguyễn Thỏi Chung và cỏc cộng sự đó cú những nghiờn cứu về
tương tỏc giữa kết cấu cụng trỡnh dạng cọc, tấm, vỏ, ống dẫn và nền san hụ, trong đú đó sử dụng “phần tử tiếp xỳc” để mụ tả tớnh liờn kết một chiều của nền. Trong cỏc cụng trỡnh này, cỏc tỏc giả giải quyết bài toỏn theo mụ hỡnh kết cấu và nền làm việc đồng thời, trờn cơ sở phương phỏp PTHH. Cỏc kết quả nghiờn cứu bước đầu gúp phần vào sự phỏt triển về phương phỏp tớnh trong nghiờn cứu tương tỏc giữa kết cấu cụng trỡnh và nền san hụ. Tỏc giả
Nguyễn Tiến Khiờm và cỏc cộng sự [9] đó dày cụng nghiờn cứu và đưa ra cỏc cơ sở khoa học cho việc xõy dựng và khai thỏc cụng trỡnh biển di động trờn vựng biển Việt Nam. Tỏc giả Phạm Khắc Hựng và cỏc cộng sự [8] đó nghiờn cứu, đưa ra được những đỏnh giỏ cú ý nghĩa khoa học, thực tiễn quý bỏu về điều kiện kỹ thuật mụi trường biển và nền múng cụng trỡnh, từ đú xỏc định được những luận chứng kinh tế, kỹ thuật nhằm giỳp ớch trong việc xõy dựng cỏc cụng trỡnh biển vựng nước sõu tại Việt Nam. Tỏc giả Lờ Anh Tuấn [23] đó nghiờn cứu và tớnh toỏn hệ thanh khụng gian tương tỏc với tải trọng súng biển ngẫu nhiờn, trong đú tải trọng súng biển được coi là quỏ trỡnh ngẫu nhiờn dừng, chuẩn và được mụ tả bởi hàm mật độ phổ, sử dụng
phương phỏp mụ phỏng số Monter Carlo với cỏc hàm giả ngẫu nhiờn đầu vào, xử lý cỏc thể hiện của kết quả đầu ra tương ứng để mụ tả phản ứng
động của hệ. Trong [23] tỏc giả đó khảo sỏt hai lớp bài toỏn: cú xột đến và khụng xột đến tương tỏc giữa tải trọng súng biển và hệ thanh, qua đú thu
được cỏc kết quả phản ỏnh phản ứng động ngẫu nhiờn của hệ. Tuy nhiờn mụ hỡnh tớnh chưa xột đến tương tỏc giữa kết cấu và nền (giả thiết kết cấu
được ngàm cứng với nền). Gần đõy, Lờ Tõn [21] đó tập trung nghiờn cứu bài toỏn tương tỏc giữa kết cấu cụng trỡnh đường ống trong nền san hụ dưới tỏc dụng đồng thời của của ỏp lực trong và tải trọng súng xung kớch do nổ
gõy ra trờn bề mặt nền. Cũng theo hướng này, Nguyễn Tất Ngõn [19] đó đi sõu nghiờn cứu, giải quyết vấn đề tổng quỏt hơn của bài toỏn tương tỏc giữa