(Luận văn thạc sĩ) mô phỏng ứng xử cơ học phi tuyến của kết cấu thép ngoài khơi dưới tác động của tải nổ bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN

LÊ QUANG TẤN

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC PHI TUYẾN CỦA KẾT
CẤU THÉP NGOÀI KHƠI DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI
NỔ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
Mã số: 8.58.02.01

Long An, tháng 07 năm 2019

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN

LÊ QUANG TẤN

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC PHI TUYẾN CỦA KẾT
CẤU THÉP NGOÀI KHƠI DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI
NỔ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
Mã số: 8.58.02.01

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trương Tích Thiện

Long An, tháng 07 năm 2019

Luan van


i

LỜI CAM ĐOAN
Ngoài những kết quả tham khảo từ những cơng trình khác như đã được ghi trong
luận văn, tơi xin cam kết rằng luận văn này là do chính tôi thực hiện và luận văn chỉ
được nộp tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An.
Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn
toàn trung thực và chưa từng được sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình nào
khác.
Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thơng tin
trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc.

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Lê Quang Tấn

Luan van


ii
LỜI CẢM ƠN
Luận văn cao học hoàn thành là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu của
học viên tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. Bên cạnh những nỗ lực

của học viên, hoàn thành chương trình luận văn khơng thể thiếu sự giảng dạy, quan
tâm, giúp đỡ của tập thể Thầy, Cô khoa Kiến trúc Xây dựng (Trường Đại học Kinh tế
Công nghiệp Long An) trong q trình học tập cũng như hồn thành luận văn cao học
này.
Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trương Tích
Thiện cùng tập thể các thầy cơ, đồng nghiệp đã tận tình quan tâm, hướng dẫn, truyền
đạt kiến thức, kinh nghiệm, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành tốt luận
văn này.
Cũng nhân dịp này, tôi xin trân trọng cám ơn gia đình, bạn bè, tập thể lớp Cao
học Xây dựng đã hỗ trợ tơi trong q trình học tập và thực hiện luận văn.

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Lê Quang Tấn

Luan van


iii
Tóm tắt luận văn
Việc nổ giàn khoan làm cho hàng triệu thùng dầu loang ra biển gây ra hậu quả
nặng nề và lâu dài cho sức khỏe con người cũng như ô nhiễm hệ sinh thái tại khu vực
bị ảnh hưởng. Do vậy, việc phân tích ứng xử của giàn khoan dưới tác dụng của tải nổ
là cần thiết để dự đốn những vị trí bị phá hủy nhiều nhất khi hiện tượng nổ diễn ra.
Kết cấu giàn khoan trên biển được chọn làm đối tượng khảo sát dưới tác động của tải
trọng nổ. Tải trọng nổ được mơ hình hóa tương đương với khối lượng của thuốc nổ
TNT. Trong bài báo này, nhóm tác giả đã lựa chọn phương pháp ALE (Arbitrary
Lagrangian-Eulerian) được tích hợp trong phần mềm ANSYS thay vì quy đổi tương
đương về dạng tải áp suất theo thời gian. Chính vì vậy, đáp ứng của kết cấu sẽ phụ
thuộc vào sự lan truyền áp suất của sóng nổ trong các mơi trường lưu chất khác nhau.

Mơ hình vật liệu thuốc nổ TNT, khơng khí, thép (bao gồm thông số phá hủy) được sử
dụng cho các loại đối tượng khác nhau trong q trình mơ phỏng. Những kết quả mơ
phỏng từ lúc kích nổ cho đến q trình lan truyền sóng nổ cho thấy những vị trí phá
hủy hoặc nguy hiểm đối với kết cấu giàn khoan

Luan van


iv
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. xi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ............................................... 1
1.1. Tổng quan về cơng trình biển ........................................................................... 1
1.1.1. Q trình phát triển của ngành cơng trình biển thế giới ........................ 1
1.1.2. Q trình phát triển của ngành cơng trình biển Việt Nam .................... 1
1.1.3. Phân loại theo vị trí cơng trình biển so với bờ ......................................... 2
1.2. Thảm họa cháy nổ công trình biển ................................................................... 6
1.3. Hiện tượng nổ ..................................................................................................... 7
1.3.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 7
1.3.2. Sóng nổ ......................................................................................................... 8
1.3.3. Sóng xung kích ............................................................................................ 9
1.3.4. Dự đốn áp suất nổ ................................................................................... 11
1.4. Tình hình nghiên cứu ....................................................................................... 12
1.4.1. Nghiên cứu trong nước ............................................................................. 12
1.4.2. Nghiên cứu ngoài nước ............................................................................. 13
1.5. Mục tiêu của đề tài nghiên cứu ....................................................................... 14
1.6. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu.......................................................... 14
1.7. Ý nghĩa của đề tài ............................................................................................. 15
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 16
2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn ....................................................................... 16

2.1.1. Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn ............................. 16
2.1.2. Định nghĩa hình học các phần tử hữu hạn ............................................. 19
2.1.3. Lực, chuyển vị, biến dạng và ứng suất.................................................... 20
2.1.4. Sơ đồ tính tốn bằng phần tử hữu hạn .................................................. 21

Luan van


v
2.2. Các thuật toán giải bài toán động lực học trong PPTHH ............................ 23
2.2.1. Thuật toán Implicit ................................................................................... 23
2.2.2.Thuật toán Explicit .................................................................................... 24
2.3. Tích phân theo thời gian dạng tường minh ................................................... 24
2.4. Phương pháp phần tử hữu hạn Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) .... 25
CHƯƠNG 3. MƠ HÌNH TÍNH TỐN ..................................................................... 30
3.1. Giới thiệu về module ANSYS Autodyn .......................................................... 30
3.2. Các bước phân tích tương tác sóng nổ lên kết cấu ....................................... 30
3.2.1. Xây dựng mơ hình CAD ............................................................................... 31
3.2.2. Thiết lập thông số vật liệu ............................................................................ 31
3.2.3. Định nghĩa miền lưu chất và miền phân tích nổ (miền Euler).................. 32
3.2.4. Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn ........................................................... 34
3.2.5. Thiết lập điều kiện biên và các thông số phân tích trong ANSYS Explicit
Dynamics và ANSYS Autodyn ................................................................................... 36
3.3. Các trường hợp phân tích của bài tốn ......................................................... 45
3.3.1. Trường hợp 1: nổ trong khơng khí, vị trí khối thuốc nổ A ....................... 45
3.3.2. Trường hợp 2: nổ trong nước, vị trí đặt tải nổ A ....................................... 54
3.3.3. Trường hợp 3: Nổ trong khơng khí, vị trí đặt tải nổ B .............................. 61
3.4. So sánh kết quả của 3 trường hợp .................................................................. 68
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 71
4.1. Kết luận ............................................................................................................. 71

4.2. Kiến nghị ........................................................................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 72
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 73

Luan van


vi
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Giàn khoan Bullwinkle (Hoa Kỳ). ................................................................... 2
Hình 1.2. Giàn khoan Troll-A (Na Uy)............................................................................ 3
Hình 1.3. Giàn khoan tự nâng Tam Đảo (Việt Nam) ...................................................... 4
Hình 1.4. Giàn khoan Independence Hub (Hoa Kỳ) ....................................................... 4
Hình 1.5. Tàu khoan Stones (Hoa Kỳ)............................................................................. 5
Hình 1.6. Một số cơng trình biển trên thế giới ................................................................ 5
Hình 1.7. Thảm họa nổ giàn khoan Deepwater Horizon (2010) & dầu tràn trên Vinh
Mexico (ảnh chụp từ vệ tinh) ........................................................................................... 6
Hình 1.8. Vụ nổ do bom đạn thơng thường. .................................................................... 7
Hình 1.9. Sự thay đổi của áp suất sóng nổ theo khoảng cách......................................... 9
Hình 1.10. Đặc điểm tải nổ ............................................................................................. 9
Hình 1.11. Sóng xung kích bao quanh nguồn nổ........................................................... 10
Hình 1.12. Mơ hình PTHH cơng trình biển do tác giả Lê Hồng Anh nghiên cứu ...... 13
Hình 2.1. Chương trình ANSYS ..................................................................................... 16
Hình 2.2. Chương trình ABAQUS ................................................................................. 17
Hình 2.3. Chương trình SAP 2000 ................................................................................ 17
Hình 2.4. Một vật thể được chia lưới phần tử hữu hạn ................................................. 18
Hình 2.6. Các dạng biên chung giữa các phần tử ......................................................... 19
Hình 2.7. Phần tử một chiều .......................................................................................... 19
Hình 2.8. Phần tử hai chiều........................................................................................... 20
Hình 2.9. Phần tử ba chiều ............................................................................................ 20

Hình 2.10. Sơ đồ khối của chương trình PTHH ............................................................ 23
Hình 2.11. Lưới Lagrange và lưới Euler ....................................................................... 26
Hình 2.12. Sóng nổ trong miền Euler ............................................................................ 26

Luan van


vii
Hình 2.13. Vận tốc sóng nổ trong miền Euler ............................................................... 27
Hình 2.14. ALE chưa biến dạng .................................................................................... 27
Hình 2.15. ALE sau khi biến dạng ................................................................................. 28
Hình 3.1. ANSYS Autodyn ............................................................................................. 30
Hình 3.2a. Mơ phỏng va chạm bằng ANSYS Autodyn................................................... 30
Hình 3.2b Lưu đồ mơ phỏng .......................................................................................... 30
Hình 3.3. Thiết kế mơ hình giàn khoan ......................................................................... 31
Hình 3.4. Chọn vật liệu trong thư viện .......................................................................... 32
Hình 3.5. Mơ hình sau khi đưa vào ANSYS Explicit Dynamics .................................... 33
Hình 3.6. Miền khơng khí và nước chọn Fluid .............................................................. 33
Hình 3.7. Chọn bộ giải Lagrange cho kết cấu .............................................................. 34
Hình 3.8. Chọn bộ giải Euler cho TNT, khơng khí và nước .......................................... 34
Hình 3.9. Thiết lập vật liệu và bộ giải cho vật liệu ....................................................... 34
Hình 3.10. Điều kiện chia lưới ...................................................................................... 35
Hình 3.11. Lưới phần tử hữu hạn của mơ hình ............................................................. 35
Hình 3.12. Đánh giá chất lượng lưới PTHH bằng phương pháp Skewness ................. 36
Hình 3.13. Tạo các vùng khảo sát ................................................................................. 36
Hình 3.14. Thiết lập gia tốc trọng trường ..................................................................... 37
Hình 3.15. Thiết lập vị trí điểm kích nổ ......................................................................... 37
Hình 3.16. Thiết lập thời điểm kích nổ .......................................................................... 37
Hình 3.17. Thiết lập nhiệt độ mơi trường cho bài tốn ................................................. 38
Hình 3.18. Thiết lập thời gian giải trong ANSYS Explicit Dynamics ........................... 38

Hình 3.19. Thiết lập “On material failure” .................................................................. 39
Hình 3.20. Chọn các đại lượng để xuất kết quả ............................................................ 40
Hình 3.21. Xuất kết quả ứng xử tổng thể và kết quả ứng xử tại các vùng khảo sát ...... 41

Luan van


viii
Hình 3.22. Đưa bài tốn vào ANSYS Autodyn để phân tích ......................................... 42
Hình 3.23. Thiết lập miền Lagrange (trái) và Euler (phải) .......................................... 43
Hình 3.24. Chọn xuất kết quả áp suất sóng nổ.............................................................. 43
Hình 3.25. Thiết lập thời gian giải cho bài tốn ........................................................... 44
Hình 3.26. Thiết lập các điểm Gauge ............................................................................ 45
Hình 3.27. Giải bài tốn trong ANSYS Autodyn ........................................................... 45
Hình 3.28. Trường hợp 1 ............................................................................................... 46
Hình 3.29. Vùng khảo sát 1, trường hợp1 ..................................................................... 46
Hình 3.30. Vùng khảo sát 2, trường hợp1 ..................................................................... 47
Hình 3.31. Vùng khảo sát 3, trường hợp 1 .................................................................... 47
Hình 3.32. Kết quả ứng xử kết cấu trường hợp1 tại 0,022s .......................................... 48
Hình 3.33. Kết quả ứng xử kết cấu trường hợp1 tại 0,05s. ........................................... 48
Hình 3.34. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 1 tại thời điểm 0,022s .......................... 48
Hình 3.35. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 1 tại thời điểm 0,05s ............................ 49
Hình 3.36. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 2 tại thời điểm 0,022s .......................... 49
Hình 3.37.. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 2 tại thời điểm 0,05s ........................... 50
Hình 3.38. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 3 tại thời điểm 0,022s .......................... 50
Hình 3.39.. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 3 tại thời điểm 0,05s ........................... 51
Hình 3.40. Biều đồ ứng xử của tại các phần tử trường hợp1 theo thời gian ................ 51
Hình 3.41. Hình dạng sóng nổ lan truyền theo thời gian (trường hợp1) ...................... 52
Hình 3.42. Áp suất sóng nổ trường hợp 1 tại 0,022s .................................................... 53
Hình 3.43. Áp suất sóng nổ trường hợp 1 tại 0,05s ...................................................... 53

Hình 3.44. Năng lượng của khối thuốc nổ theo thời gian (trường hợp1) ..................... 54
Hình 3.45. Trường hợp 2 ............................................................................................... 54
Hình 3.46. Các vùng khảo sát trường hợp2 .................................................................. 55

Luan van


ix
Hình 3.47. Kết quả ứng xử kết cấu trường hợp2 tại 0,022s .......................................... 55
Hình 3.48. Kết quả ứng xử kết cấu trường hợp2 tại 0,05s ............................................ 55
Hình 3.49. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 1 tại thời điểm 0,022s .......................... 56
Hình 3.50. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 1 tại thời điểm 0,05s ............................ 56
Hình 3.51. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 2 tại thời điểm 0,022s .......................... 56
Hình 3.52. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 2 tại thời điểm 0,05s ............................ 57
Hình 3.53. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 3 tại thời điểm 0,022s .......................... 57
Hình 3.54. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 3 tại thời điểm 0,05s ............................ 57
Hình 3.55. Biều đồ ứng xử của tại các phần tử trường hợp2 theo thời gian ................ 58
Hình 3.56. Hình dạng sóng nổ lan truyền theo thời gian (trường hợp2) ...................... 59
Hình 3.57. Áp suất sóng nổ trường hợp 2 tại 0,022s .................................................... 59
Hình 3.58. Áp suất sóng nổ TRƯỜNG HỢP 2 tại 0,05s ............................................... 60
Hình 3.59. Năng lượng của khối thuốc nổ theo thời gian (trường hợp 2) .................... 60
Hình 3.60. Trường hợp 3 ............................................................................................... 61
Hình 3.61.. Các vùng khảo sát của trường hợp 3 ......................................................... 61
Hình 3.62. Kết quả ứng xử kết cấu trường hợp 3 tại 0,05s ........................................... 62
Hình 3.63. Kết quả ứng xử kết cấu trường hợp 3 tại 0,05s ........................................... 62
Hình 3.64. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 1 tại thời điểm 0,022s .......................... 63
Hình 3.65. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 1 tại thời điểm 0,05s ............................ 63
Hình 3.66. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 2 tại thời điểm 0,022s .......................... 64
Hình 3.67. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 2 tại thời điểm 0,05s ............................ 64
Hình 3.68. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 3 tại thời điểm 0,022s .......................... 65

Hình 3.69. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 3 tại thời điểm 0,05s ............................ 65
Hình 3.70. Hình dạng sóng nổ lan truyền theo thời gian (trường hợp 3) ..................... 66
Hình 3.71. Biều đồ ứng xử của tại các phần tử trường hợp 3 theo thời gian ............... 66

Luan van


x
Hình 3.72. Áp suất sóng nổ trường hợp 3 tại 0,022s .................................................... 67
Hình 3.73. Áp suất sóng nổ trường hợp 3 tại 0,05s ...................................................... 67
Hình 3.74. Năng lượng của khối thuốc nổ theo thời gian (trường hợp 3) .................... 68
Hình 3.75. Biểu đồ ứng suất lớn nhất theo thời gian tại 3 trường hợp ......................... 68
Hình 3.76. Đồ thị kết quả ứng suất tại cùng 1 vị trí của 3 trường hợp ......................... 69

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1.Kích thước chính của mơ hình giàn khoan .................................................... 31
Bảng 3.2. Các thơng số vật liệu .................................................................................... 31

Luan van


xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

FEM

Finite Element Method

PPPTHH

Phương pháp phần tử hữu hạn

Luan van


1
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về cơng trình biển
1.1.1. Q trình phát triển của ngành cơng trình biển thế giới
Dầu khí trên đất liền trữ lượng có hạn khơng đủ đáp ứng nhu cầu về năng lượng
cho các nghành cơng nghiệp. Vì vậy con người cần phải tiến hành thăm dị và khai
thác dầu khí ở ngồi khơi, các thềm lục địa. Ngành xây dựng Cơng trình biển ra đời và
phát triển do yêu cầu về việc khai thác dầu khí. Nhờ việc đáp ứng hiệu quả về mặt
kinh tế, đảm bảo an toàn và thúc đẩy sự tiến bộ liên tục mà nhiều loại công trình khác
nhau, phù hợp với các địa điểm xây dựng đã được thiết kế. Chiều sâu nước của các
giàn khoan đã tăng lên rất lớn nhờ vào sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật giúp tính tốn
và thiết kế kết cấu, cũng như hỗ trợ thi công. Bên cạnh việc phục vụ khai thác dầu khí.
Cơng trình biển cịn nhằm mục đích phục vụ hàng hải, nghiên cứu khí tượng thủy văn
biển, bảo vệ bờ biển hay đóng tàu.
1.1.2. Q trình phát triển của ngành cơng trình biển Việt Nam
Việt Nam với hơn 3400 km bờ biển với tổng diện tích biển gấp 4 lần đất liền mở
ra tiềm năng to lớn trong cơng cuộc thăm dị và khai thác tài nguyên biển. Đặc biệt là
trong lĩnh vực dầu khí, một trong những ngành đem lại lợi nhuận kinh tế cao. Song
song với việc thăm dò, khai thác tài nguyên biển là sự phát triển của ngành xây dựng
công trình biển. Nhưng thực tế ngành xây dựng cơng trình biển ở Việt Nam còn là một
ngành non trẻ. Các cơng trình biển xây dựng ở thềm lục địa Việt Nam chủ yếu là
ngành cơng trình biển bằng thép với số lượng cịn hạn chế với mục đích để khoan
thăm dị và khai thác dầu mỏ, khí đốt và dịch vụ quốc phịng. Cơng trình biển ở Việt
Nam được xây dựng chính thức vào năm 1982 ở mỏ Bạch Hổ, hầu hết các cơng trình

biển ở Việt Nam đều được xây dựng ở độ sâu khoảng 50 m nước và chủ yếu là các dàn
thăm dị và dàn cơng nghệ. Cho đến nay Việt Nam đã xây dựng và đưa vào sử dụng
hơn 40 cơng trình dầu khí các loại tại các mỏ Bạch Hổ, mỏ Ruby, mỏ Rồng, mỏ Rạng
Đông... Phần lớn được xây dựng theo công nghệ của Liên Xô cũ (Nga). Tuy nhiên
trong mấy năm gần đây nghành cơng trình biển của Việt Nam cũng đã có nhữngbước
tiến đáng kể, đội ngũ cán bộ kỹ thuật và kỹ sư, cơng nhân đều có trình độ cao, cơng
nghệ thi công hiện đại, sự hỗ trợ đặc biệt của các phần mềm tính tốn vì vậy mà chúng

Luan van


2
ta đã tiến hành thi cơng những cơng trình với quy mơ lớn như cơng trình đường ống
dẫn khí PM3 Cà Mau, các dàn công nghệ MSP… Đặc biệt chúng ta đã và đang xây
dựng các cơng trình lớn cho các khách hàng nước ngồi với cơng nghệ cao.
1.1.3. Phân loại theo vị trí cơng trình biển so với bờ
1.1.3.1. Cơng trình biển bằng thép
Đây là loại cơng trình biển được xây dựng phổ biến nhất thế giới hiện nay. Loại
cơng trình này thường được sử dụng cho khoan thăm dị, khai thác và xử lý dầu khí
trên biển.Cơng trình được xây dựng bằng thép ống đặc biệt, kết cấu dạng khung và
được cố định bằng hệ thống cọc. Hiện nay cơng trình biển thép đạt độ sâu nước lớn
nhất là Bullwinkle 412m xây dựng năm 1991 và Pompano 393m được xây dựng năm
1994.

Hình 1.1.Giàn khoan Bullwinkle (Hoa Kỳ) [nguồn: internet]
1.1.3.2. Cơng trình biển bằng bê tơng trọng lực
Cho đến năm 1972 tất cả các cơng trình dàn khoan biển trên thế giới mới chỉ
được xây dựng bằng nguyên liệu thép. Bắt đầu từ năm 1973 cơng trình biển bằng bê
tông cốt thép đầu tiên mới được đưa vào xây dựng tại mỏ Ekofisk do công ty Doris
Engineering (Pháp) thiết kế với độ sâu 70m nước.

Luan van


3
Ngày nay kết cấu bê tông trọng lực tỏ ra có lợi về kinh tế kỹ thuật có thể cạnh
tranh với các loại dàn thép truyền thống. Có thể sử dụng nhân lực và vật liệu địa
phương, giảm việc sử dụng ống thép đặc chủng, thời gian thi công ngắn hơn rất nhiều
so với cơng trình biển bằng thép.

Hình 1.2.Giàn khoan Troll-A (Na Uy)[nguồn: internet]
1.1.3.3. Giàn khoan tự nâng
Giàn khoan tự nâng là giàn khoan có thân giàn đủ lực nổi để nó có thể được lai
dắt bởi tàu tới vị trí đã định, sau đó giàn được nâng lên trên mặt nước biển nhờ các
chân chống xuống đáy biển. Giàn khoan tự nâng được thiết kế để hoạt động tại những
vùng biển có độ sâu tới 150m, chịu được sức gió ở tốc độ tối đa 180km/h, tốc độ dòng
chảy 2m/s, khoan đạt độ sâu 8000 - 10000m. Trọng lượng giàn khoan tự nâng hiện đại
có thể vượt quá 16.000 tấn. Giàn khoan tự nâng đóng vai trị quan trọng trong cơng
nghiệp ngồi khơi, hiệu quả kinh tế và tính linh hoạt đã được chứng minh trong q
trình phát triển và khai thác mỏ. Điều này chủ yếu là do khả năng tự lắp đặt và chân
giàn có thể kéo nổi lên khỏi mặt nước.
Tính tới năm 2014, số lượng giàn khoan tự nâng là 550, chiếm xấp xỉ 60% số
lượng giàn khoan trên thế giới.

Luan van


4

Hình 1.3. Giàn khoan tự nâng Tam Đảo (Việt Nam)[nguồn: internet]

1.1.3.4. Cơng trình biển bán tiềm thủy
Cơng trình biển bán tiềm thủy là một cơng trình nổi trên biển chun dụng để
khoan thăm dị và khai thác dầu khí, có dạng bè mảng nửa chìm nửa nổi nên có khả
năng tự ổn định tốt trong môi trường biển và đại dương. Loại cơng trình này cho phép
kết cấu chuyển động để giảm tác dụng của tải trọng sóng và dịng chảy, chỉ thích hợp
đối với những vùng nước sâu.
Một số cơng trình biển bán tiềm thủy đã được xây dựng với độ sâu nước lớn:
 Magnolia, 1432m, hoàn thành năm 2005 tại Vịnh Mexico
 Independence Hub, 2414m, hoàn thành năm 2007 tại Vịnh Mexico
 Perdido, 2450m, hoàn thành năm 2010 tại Vịnh Mexico

Hình 1.4. Giàn khoan Independence Hub (Hoa Kỳ)[nguồn: internet]
1.1.3.5. Tàu khoan
Tàu khoan là loại cơng trìnhđược phát triển trong những năm gần đâynhằm mục
đích khai thác những mỏ nhỏhay cịn là mỏ nhánh, độ sâu nước lớn,khơng kinh tế nếu

Luan van


5
xây dựng những cơngtrình biển cố định. Loại cơng trình này cóthể vừa khoan thăm dị,
khoan khai thác vàcó thể sử dụng ở các độ sâu nước khácnhau.

Hình 1.5.Tàu khoan Stones (Hoa Kỳ)[nguồn: internet]
Một số tàu khoanđược xây dựng với độ sâu nước lớn:
 Parque das Conchas, 1780m, hoàn thành năm 2010 tại Braxin.
 Lula Pilot , 2150m, hoàn thành năm 2017 tại Brazil
 Stones, 2900m, hoàn thành năm 2016 tại Vịnh Mexico

Hình 1.6. Một số cơng trình biển trên thế giới[nguồn: internet]

Luan van


6
1.2. Thảm họa cháy nổ cơng trình biển
Việc nổ giàn khoan làm cho hàng triệu thùng dầu loang ra biển gây ra hậu quả
nặng nềvà lâu dài cho sức khỏe con người cũng như ô nhiễm hệ sinh thái tại khu vực
bị ảnh hưởng.
 San hô dần bị tẩy trắng hoặc biến màu, nhiều động, thực vật sinh sống ở
vùng biển chết hàng loạt do ảnh hưởng của dầu loang và ơ nhiễm nguồn
nước biển.
 Lượng dầu bị rị ra từ khu vực giàn khoan còn khiến một tỷ lệ khơng nhỏ
người dân sinh sống ven biển có triệu chứng bệnh lý như dị ứng, lở loét,
cùng những dấu hiệu bất thường trong gan, phổi, máu, tuyến giáp hoặc hệ
thần kin.
 Cùng với đó, ngành cơng nghiệp cá đánh bắt cá của vùng bị thảm họa
cũng sẽ hứng chịu tác động khi sản lượng đánh bắt tôm, cua, cá và các
loài hải sản khác ngày một giảm.
 Nước biển và những bãi cát ven bờ cũng nhuốm đầy dầu và hắc ín, làm
phá sản ngành du lịch địa phương.
Những nguyên nhân chính dẫn đến cháy nổ dàn khoan gồm: Hở khóa van khiến
rị rỉ dầu và khí Metan. Thiết kế vị trí đặt đường ống dẫn dầu và dầu thơ chưa hợp lý
dẫn đến cháy nổ.
Các thảm họa cháy nổ cơng trình biển gây thiệt hại lớn trên thế giới:
 06/07/1988 - Nổ giàn khoan Piper Alpha (Anh) - 3,4 tỷ USD
 20/04/2010 - Nổ giàn khoan Deepwater Horizon (Hoa Kỳ) - 80 tỷ USD
 01/04/2015 - Nổ giàn khoan Abkatun A-Permanente (Mexico)

Hình 1.7. Thảm họa nổ giàn khoan Deepwater Horizon (2010) & dầu tràn trên Vinh

Mexico (ảnh chụp từ vệ tinh)[nguồn: internet]

Luan van


7
1.3. Hiện tượng nổ
1.3.1. Giới thiệu
Trước hết, chúng ta cần tìm hiểu hiện tượng nổ là gì. Nổ là hiện tượng có thể xảy
ra khi các chất bị đốt nóng hoặc phân hủy đột ngột tạo ra một lượng lớn nhiệt và trong
một khoảng thời gian ngắn. Các loại vũ khí nổ như bom, đầu đạn… đều có cấu tạo cơ
bản gồm có chất nổ, thiết bị kích nổ và vỏ bọc ngồi. Khi chất nổ bị kích hoạt bằng
nhiệt hoặc xung động, hợp chất nổ xảy ra cả phản ứng phân hủy và phản ứng cháy.
Các chất hóa học chứa rất nhiều năng lượng, đây là lực liên kết giữa các nguyên tử
khác nhau trong cùng một phân tử của chất đó, khi phản ứng nổ bắt đầu xảy ra, phần
lớn năng lượng này được giải phóng tạo ra một lượng nhiệt khổng lồ và giải phóng ra
các chất khí. Các chất khí trong chất hóa học bị nén dưới áp lực lớn, do đó, khi hiện
tượng nổ xảy ra, các chất khí này nở bung ra với vận tốc rất nhanh, nhiệt lượng được
giải phóng kèm theo trong phản ứng nổ thậm chí cịn tăng vận tốc của các chất khí này
lên rất nhiều lần và tạo ra các sóng xung động[4].

Hình 1.8. Vụ nổ do bom đạn thơng thường.[nguồn: internet]

Các loại thuốc nổ được coi là có sức công phá nhỏ như thuốc nổ đen ( thuốc
súng) có sức cơng phá khơng lớn, lực của sóng xung động do thuốc súng tạo ra không
đáng ngại. Khi thuốc súng cháy, lực tạo ra do phản ứng cháy chỉ đủ sức đẩy những vật
thể nhỏ như đầu đạn mà thôi. Nhưng với các loại thuốc nổ mạnh như TNT hay C-4,
sức công phá không chỉ ở lượng nhiệt khổng lồ mà cịn do sự giải phóng đột ngột của
các chất khí. Sức ép của vụ nổ có thể phá hủy các cấu trúc vững chắc và con người, do
các loại thuốc nổ mạnh này tạo ra các đợt khí di chuyển nhanh hơn cả vận tốc âm

Luan van


8
thanh, tạo thành các đợt sóng xung kích có uy lực lớn. Thuốc nổ mạnh còn nguy hiểm
hơn nữa do các đợt sóng xung kích có thể thổi bay các vật thể trên đường đi của nó với
vận tốc lớn và làm chúng va đập vào cơ thể người hay các cơng trình với một lực lớn.
Vũ khí hạt nhân, vũ khí hóa học , và vũ khí sinh học là những tác nhân gây ra
quy mô lớn hủy diệt hàng loạt. Những vũ khí mà khơng gây ra quy mơ lớn như vũ khí
hủy diệt hàng loạt và chưa có khả năng gây thiệt hại đáng kể với cuộc sống và tài sản
gọi là vũ khí thơng thường. Những vũ khí thơng thường bao gồm các mỏ đất, bom phi
hạt nhân, vỏ tên lửa, tên lửa, vv. Các mối đe dọa từ vũ khí này được đo bằng khối
lượng của chất nổ,; và khoảng cách của chất nổ từ cấu trúc có thể bị phá hủy hoặc cự
ly. Khối lượng tải nổ sử dụng trong hàng loạt vũ khí thơng thường thường được tính
bằng kg TNT. Vì so sánh, các loại vũ khí hạt nhân giải phóng năng lượng tương đương
với việc phát ra hàng triệu chất nổ thông thường gọi là kiloton TNT. Ví dụ, các chất nổ
thơng thường phát nổ trong tầng hầm của Trung tâm Thương mại Thế giới ở thành phố
New York, Mỹ vào ngày 26 tháng hai năm 1993, đã có một khối lượng chất nổ
816.5kg TNT (Ngô, et al. 2007), trong khi quả bom hạt nhân được thả tại thành phố
Nagasaki, Nhật Bản vào ngày 09 tháng 8 năm 1945 đã có một lượng chất nổ tương
đương với khoảng 21 kiloton TNT (Gosling và Fehner 2000)[4]..
1.3.2. Sóng nổ
Là sóng được tạo thành sau một vụ nổ và ở trong một chất nổ. Sóng nổ là sóng
chấn động do thuốc nổ, bom, mìn, đạn pháo cỡ lớn, bộc phá, thủy lơi, bình ga, bình
điện, các vụ hỏa hoạn xăng dầu... cháy nổ tạo nên. Sóng nổ phát ra từ tâm vụ nổ tỏa ra
theo vòng tròn với một áp suất rất cao. Độ lớn của áp suất và tốc độ của sóng nổ giảm
dần khi truyền đi xa tâm vụ nổ. Đại lượng đo sóng nổ tính bằng kg/cm3, đại lượng này
cịn được gọi là xung lượng của sóng nổ .
Khi một vụ nổ được kích nổ trong khơng khí, nó sẽ giải phóng ra một lượng

nhiệt khổng lồ và các sản phẩm khác vào môi trường xung quanh với một tốc độ cao
(~7200m/s). Việc mở rộng nhanh chóng của các sản phẩm nổ tạo ra một làn sóng chấn
động có liên tục trong áp suất, mật độ, nhiệt độ và tốc độ .

Luan van


9

Hình 1.9. Sự thay đổi của áp suất sóng nổ theo khoảng cách [4]

Hình 1.10. Đặc điểm tải nổ [4]
1.3.3. Sóng xung kích
Sóng xung kích là một mặt gián đoạn lan truyền trong các môi trường vật chất
(thường gặp trong mơi trường chất lưu như mơi trường chất khí, chất lỏng, plasma,...)
mà khi đi qua mặt truyền sóng các thơng số khí động, nhiệt động như mật độ, áp suất,
nhiệt độ, vận tốc, entropy,... bị gián đoạn với các bước nhảy hữu hạn. Cần phân biệt
sóng xung kích với các sóng xuất hiện từ các va chạm sinh ra. Trong trường hợp sau

Luan van


10
thì khơng phải bản thân các thơng số khí động và nhiệt động gián đoạn trên mặt truyền
sóng mà là đạo hàm của chúng bị gián đoạn.

Hình 1.11. Sóng xung kích bao quanh nguồn nổ[nguồn: internet]
Từ cái nhìn vĩ mơ sóng xung kích được xem xét như một mặt tưởng tượng mà
trên đó các đại lượng nhiệt động lực học của môi trường (các thông số này về nguyên
tắc là các hàm liên tục theo khơng gian) có các điểm kì dị có thể bỏ qua: bước nhảy

hữu hạn. Khi đi qua mặt truyền sóng xung kích giá trị của áp suất, nhiệt độ, mật độ vật
chất của môi trường, và cả vận tốc chuyển động của môi trường đối với mặt truyền
sóng xung kích đều có sự đột biến. Tất cả các đại lượng này biến đổi không độc lập
tuyến tính mà liên hệ bởi một đặc tính duy nhất của sóng xung kích - số Mach. Phương
trình tốn học liên hệ các đại lượng nhiệt động trước và sau mặt truyền sóng xung kích
được gọi là hệ thức đẳng áp xung kích, hoặc là đẳng áp Hugoniot (Hu-gơ-ni-ơ)
Độ dày của sóng xung kích cường độ lớn thường vào khoảng độ dài bước nhảy
tự do của phân tử khí (chính xác hơn là khoảng 10 lần độ dài bước nhảy tự do, và
không thể nhỏ hơn 2 lần giá trị này; kết quả này được đưa ra bởi Chapman vào những
năm đầu thập kỉ 50). Trong khí động lực học vĩ mơ thì độ dài chuyển động tự do được
xem là vô cùng nhỏ (xấp xỉ bằng không), các phương pháp khí động học đơn thuần
khơng thể đem ứng dụng vào việc nghiên cứu cấu trúc của sóng xung kích với cường
độ lớn.
Để phục vụ mục đích nghiên cứu lý thuyết về cấu trúc của sóng xung kích người
ta thường sử dụng lý thuyết động học. Bài toán về cấu trúc của sóng xung kích khơng

Luan van


11
có lời giải giải tích, nhưng cũng có thể sử dụng các mơ hình đã được đơn giản hóa.
Một trong những mơ hình đó là mơ hình Tamm-Mott-Smith
Vận tốc truyền sóng xung kích trong mơi trường cao hơn vận tốc âm thanh trong
mơi trường đó. Cường độ sóng càng lớn thì vận tốc truyền sóng càng cao. Cường độ
của sóng xung kích được đánh giá dựa vào tỉ lệ giữa độ chênh lệch áp suất trước và
sau mặt truyền sóng so với áp suất của mơi trường.
1.3.4. Dự đốn áp suất nổ
Làn sóng xung kích đi qua khơng khí với áp lực cao sau đó gây áp lực lên tất cả
các bề mặt mà chúng gặp phải. Có một sự khơng liên tục '' nhảy ''áp lực sóng xung
kích phía trước, với áp lực tăng từ môi trường xung quanh (pa) đến (ps). Sự chênh

lệnh áp lực ( ps-pa) gọi là quá áp tải nổ. Tại một địa điểm cố định trong không gian, áp
lực phân rã theo cấp số nhân với thời gian và được theo sau bởi một giai đoạn (-). Một
xung áp làn sóng chấn động lý tưởng có một thời gian rất ngắn thời gian, thường được
tính bằng các phần phân đoạn của mili giây.Các phản ứng áp lực thời gian trường tự
do có thể được mơ tả bởi một phương trình Friedlander.

 t  ta   (t ta )/
p(t )   ps  pa  1 
e
t
d 


(1.1)

ta: là thời gian của sóng xung kích di chuyển đến điểm đang xét.Cái này bao gồm
thời gian của sóng nổ lan truyền qua chất nổ.
td là khoảng thời gian của giai đoạn tích cực, là thời gian đạt đến áp suất khí
quyển ở điều kiện thông thường.
 là hằng số phân rã thời gian

Cường độ tải nổ phụ thuộc vào vật liệu nổ, khối lượng chất nổ (m) , khoảng cách
giữa nguồn nổ và mục tiêu (r) . Áp lực trường tự do lớn nhất của sóng nổ (P) cho một
vụ nổ có thể xấp xỉ bằng
m
P K 3
r 

(1.2)

Trong đó K là một tham số vật liệu nổ.
Khi sóng xung kích tiếp xúc với một bề mặt, nó phản xạ, truyền áp lực lớn ra mơi
trường xung quanh. Độ phóng đại có thể phi tuyến và phụ thuộc vào độ lớn của tải nổ
và góc tới. Đối với một tải nổ yếu, tải trọng nổ sẽ được nhân đôi trên sự phản xạ của

Luan van


12
sóng xung kích. Đối với tải nổ lớn, hệ số phản xạ từ 8 có được báo cáo giả định điều
kiện lý tưởng và lên đến 20 khi hiệu ứng khí thực như phân ly và ion hóa của khơng
khí phân tử đã được xem xét.
Tải trọng xung (I) chuyển giao cho cơ cấu có thể được tính bởi sự tích phân thời
gian của phản ứng áp lực thời gian áp dụng trong giai đoạn (+):
I 

ta  td

ta

(1.3)

pdt

Trong đó p là áp lực tới nhân với hệ số phản xạ áp lực.
1.4. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
1.4.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngồi
Với tầm quan trọng của lĩnh vực dầu khí trên thế giới thì việc nghiên cứu tìm
kiếm các giải pháp thiết kế an tồn cho kết cấu cơng trình ngồi khơi trong ngành xây
dựng đã thu hút được sự quan tâm rất lớn từ các nhà khoa học. Một số đề tài nghiên

cứu tiêu biểu liên quan đến vấn đề này có thể được kể đến như bài báo Nonlinear
statics analysis of on offshore jaket platform in the case of explosion của các tác giả
M. Tajari, F. Azarsina, N. Ashrafi Khorasani được đăng vào năm 2013. Một bài báo đề
cập đến vấn đề an tồn trong việc thiết kế cơng trình biển của các tác giả Steve
Walker, Rod Bleach, S. Carney, Greg Fairlie và L. A. Louca với tên bài báo New
Guidance on the Design of Offshore Structures to Resist the Explosion Hazard được
đăng vào năm 2003.
M. Tajari và cộng sự đãphân tích phi tuyến trên cơng trình biển bằng thép khối
chân đế dạng Jacket ngoài khơi. Sự nổ và cháy trên giàn khoan ngồi khơi có thể dẫn
đến hư hỏng nhỏ và hồn tồn kết cấu. Do đó việc sử dụng các kỹ thuật như tường
chống nổ là rất quan trọng để giảm thiểu những ảnh hưởng bất lợi. Những bức tường
chống nổ được thiết kế cho sóng nổ chủ yếu để bảo vệ con người và các phần quan
trọng của kết cấu. Trong nghiên cứu này, ứng xử của cơng trình biển nền tảng Jacket
ngồi khơi dưới sóng nổ được nghiên cứu với độ dày tường chống nổ thay đổi. Phân
tích được thực hiện ở cả hai khía cạnh dẻo và đàn hồi, trong đó các đặc tính hình học
của kết cấu và vật liệu phi tuyến đều được xem xét.

Luan van