bài giảng công trình biển mềm chương 2.1 công trình biển bán chìm

1
Bài giảng Công trình biển mềm
CHƯƠNG 2: CÔNG TRÌNH BIỂN BÁN CHÌM
1. Khái niệm
1.1. Cấu tạo công trình biển bán chìm
1.2. Công dụng CTB bán chìm và các thành tựu phát triển
1.3. Đặc điểm công trình biển bán chìm
1.4. Các bài toán trong tính toán công trình biển bán chìm
2. Mô tả hệ thống neo CTB bán chìm
2.1. Cấu tạo hệ thống neo, cấu tạo và phân loại dây neo và mố neo
2.1.1. Cấu tạo hệ thống neo
2.1.2. Các loại dây neo
2.1.3. Cấu tạo các neo điển hình
2.2. Phân loại hệ thống neo theo thời gian neo giữ công trình
2.3. Các trạng thái chịu tải của giây neo một phía
3. Tác động của môi trường
3.1. Các điều kiện môi trường
3.2. Tải trọng gió
3.3. Tải trọng dòng chảy
3.4. Tải trọng sóng (lực giạt trung bình, tải trọng động của chuyện động sóng)
4. Tính toán gần đúng công trình bán chìm chịu tác dụng động của tải trọng sóng
4.1. Tải trọng sóng nhiễu xạ và bức xạ
4.2. Phương trình tổng quát của bài toán động dựa trên mô hình gần đúng
4.3. Phản ứng động gần đúng của bài toán động tiền định
4.4. Phản ứng động gần đúng của bài toán động ngẫu nhiên
5. Tính gần đúng hệ thống dây neo chịu tải trọng tĩnh của môi trường
5.1. Đặt bài toán
5.2. Tính toán dây neo một phía
5.2.1 Tính toán dây neo một phía chịu tải trọng tĩnh
5.2.2. Chiều dài tối thiểu của đường dây neo
5.2.3. Tác dụng tựa tĩnh của lực thuỷ động lên dây neo

5.2.4. Bài toán tĩnh của dây neo khi điểm liên kết A di chuyển
5.3. Tính toán dây neo nhiều phía (BT không gian)
5.3.1. Trường hợp tổng quát
5.3.2. Trường hợp kết cấu nổi được giữ bằng cặp 2 dây neo đối diện
5.5. Hệ số an toàn khi thiết kế hệ thống dây neo CTB bán chìm
6. Kiểm tra độ bền của hệ thống dây neo công trình biển bán chìm
2
CHƯƠNG 2: CÔNG TRÌNH BIỂN BÁN CHÌM
(Semi-submersible/ Semi-FPU)
1. Khái niệm
Công trình biển bán chìm Semi-FPU: Semi-Submersible Production Unit
1.1. Cấu tạo công trình biển bán chìm
Trên hình 2.2 biểu diễn cấu tạo chung của công trình biển bán chìm bằng thép.









Hình 2.1. Hình ảnh công trình biển bán chìm đang khai thác

1
3
7
6
2
2

3
1
44
10
5
8


3

Hình 2.2. Cấu tạo chung của công trình biển bán chìm
Hệ thống một công trình biển bán chìm gồm :
- Kết cấu nổi
- Dây neo
- Neo

Các bộ phận của công trình gồm có:

1) Phao 2) Cột
3) Thanh giằng 4) Kết cấu thượng tầng
5) Dây neo 6) Cơ cấu thả neo
7) Tời kéo thả dây neo 8) Ống chống (riser)
9) Neo 10) Kết cấu giằng ngang



1.2. Công dụng CTB bán chìm và các thành tựu phát triển
 Công trình biển bán chìm Semi-submersible: Công trình nổi dùng để khoan khai
thác (forage), xử lí tách lọc dầu (production); gồm 4-8 cột được neo giữ bởi hệ
thống dây neo xiên 8-12 dây.

4
 Là các kết cấu giàn bán chìm, phần nổi đủ trọng lượng để cho công trình luôn
giữ ở trạng thái thẳng đứng. Những giàn bán chìm có thể di chuyển được tới các
vị trí khác nhau. Chúng có khả năng hạ thấp hoặc nổi lên nhờ vào sự điều chỉnh
của những thùng chìm. Tuy nhiên nói chung trong quá trình hoạt động (khoan
khai thác) thì những giàn này đều được neo giữ bởi hệ thống cáp neo nhằm tăng
tính ổn định.
 Giàn sử dụng cho vùng nước có độ sâu thay đổi từ 600 đến 6000 feet (khoảng
180 đến 1800 m). Ví dụ, Independence Hub - giàn bán chìm ở độ sâu nước 8000
feet (khoảng 2438m).


Hình 2.3. Các công trình biển bán chìm cho vùng nước sâu (Semi-FPSs).
Semi-FPS là loại CTB nổi neo xiên dùng trong khai thác đa chức năng (công nghệ sơ
chế, chứa đựng) được sử dụng phổ biến cho vùng nước sâu và cực sâu, nên cũng được thường
xuyên nghiên cứu hoàn thiện cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình, đặc biệt là hệ
thống neo giữ để làm giảm độ rung lắc của giàn khi chịu tác động của sóng bão.

1.3. Đặc điểm công trình biển bán chìm
Công trình biển bán chìm có các đặc điểm chính sau.
1) Nguyên lý kết cấu :
- Là kết cấu tự nổi
- Được giữ cố định tại vị trí làm việc bằng kết cấu neo giữ gồm các dây neo và neo
- Có thể tự di chuyển thay đổi vị trí hoặc phải nhờ tàu kéo hỗ trợ
5
2) Vật liệu chế tạo:
Các công trình biển bán chìm được chế tạo bằng thép hoặc bằng bê tông cốt thép
3) Đặc điểm thi công:
Dù là công trình bằng thép hay bằng bê tông cốt thép, công trình biển bán chìm đều

được thi công trong ụ khô, sau đó được kéo ra biển.
4) Đặc điểm về sửa chữa:
Công trình biển bán chìm được kéo vào bờ để sửa chữa. Đối với công trình biển bê
tông cốt thép, sàn chịu lực (kết cấu thượng tầng) được chế tạo bằng thép, có thể tháo dỡ
để sửa chữa.
5) Đặc điểm về chịu lực:
Tải trọng môi trường tác động lên công trình biển bán chìm có thể là tải trọng tĩnh hoặc
tải trọng động.
Tải trọng tĩnh được sử dụng để xét bài toán ổn định tĩnh của công trình nổi. Tải trọng
động được sử dụng để xét bài toán ổn định động, xác định nội lực và chuyển vị của công
trình nổi.
Khi xét bài toán chuyển vị tổng thể, công trình biển bán chìm được coi là kết cấu tuyệt
đối cứng, dao động theo 6 bậc tự do (Hình 2.4).

1. Dịch chuyển dọc (surge)
2. Dịch chuyển ngang (sway)
3. Dao động đứng (heave)
4. Lắc ngang (roll)
5. Lắc dọc (pitch)
6. Xoay đứng (yaw)



Hình 2.4. Các dạng dao động lắc
6) Ống chống (Riser):
Công trình biển bán chìm có liên kết với các ống chống. Các ống chống có thể tháo
ra khi cần di chuyển công trình. Bên trong ống chống có chứa các đường ống giữa dàn
công nghệ trung tâm và đáy biển. Các ống nhỏ được bọc trong ống lớn.
6
Ví dụ, cụm ống Riser có thể gồm 1 ống 16’’ dẫn dầu để xử lý, 19 ống

''
2
1
4
, 2 ống
chứa cáp điện sử dụng cho các phương tiện liên lạc. Tất cả các ống này được nối với
giếng khoan dầu tại mỏ.
1.4. Các bài toán trong tính toán công trình biển bán chìm
Các bài toán đặc biệt cần quan tâm: tương tác giữa sóng và các cột kích thước lớn cùng các
thanh giằng kích thước nhỏ, sự chịu lực của các dây neo.
Bài toán thiết kế công trình biển bán chìm trong trường hợp tổng quát là bài toán phi tuyến do
có sự thay đổi phi tuyến hình học của dây neo trong quá trình công trình dịch chuyển dưới tác
động của lực môi trường, và khi tính toán công trình nổi được coi là một vật thể đàn hồi được
liên kết với nền đất bằng dây neo và neo. Bài toán được xét cho cả 2 trường hợp bài toán tĩnh
(tải trọng tác dụng là tải trọng tĩnh hoặc tựa tĩnh) và bài toán động (tải trọng tác dụng là tải
trọng động), nhằm xác định chuyển vị của dây neo và trong kết cấu.

Bài toán thiết kế công trình biển bán chìm có thể giải theo 2 mô hình:
- mô hình tuyến tính hoá, hoặc
- xét sự làm việc đồng thời của công trình biển nổi và dây neo.
Việc xem xét bài toán động lực học theo mô hình thứ hai cho phép mô tả sát sự làm việc của
công trình nhưng có nhược điểm là khối lượng tính toán lớn và phải sử dụng các chương trình
chuyên dụng (ví dụ, chương trình ARIANE của Pháp).

Có hai bài toán cơ bản sau trong tính toán thiết kế công trình biển bán chìm:

Bài toán 1:
Bài toán thiết kế công trình nổi (lựa chọn kích thước cơ bản, chọn quy cách kết cấu, kiểm tra
bền, tính toán ổn định tĩnh và ổn định động của công trình).
Khi kiểm tra bền công trình nổi được coi là vật thể đàn hồi, sau khi xác định được nội lực

trong kết cấu người ta tiến hành kiểm tra bền của kết cấu.
Bài toán về ổn định tĩnh và ổn định động của công trình được xem xét với giả thiết công trình
là vật thể tuyệt đối rắn, dao động theo 6 bậc tự do.

Bài toán 2:
Bài toán thiết kế đường dây neo và neo (tính toán và chọn kích thước, số lượng và chiều dài
đường dây neo, tính toán và chọn loại neo).
Khi thiết kế đường dây neo và neo công trình nổi được coi là vật thể tuyệt đối rắn.
7
2. Mô tả hệ thống neo CTB bán chìm
2.1. Cấu tạo hệ thống neo, cấu tạo và phân loại dây neo và mố neo
2.1.1. Cấu tạo hệ thống neo
Thiết bị neo là hệ thống dùng để neo đậu hoặc giữ cố định công trình nổi tại một vị trí
làm việc ở ngoài biển.
Hệ thống thiết bị neo gồm (Hình 2.5) :


Hình 2.5. Hệ thống thiết bị neo
1) Máy neo
Máy neo dùng để kéo hoặc thả dây neo và điều chỉnh chiều dài của dây neo khi cần
thiết.
Máy neo thường là tời điện, nhưng có khi là máy neo thuỷ lực. Máy neo được đặc trưng
bởi các thông số sau :
- Kích thước chung của tời (hay đường kính tang cuốn dây neo cáp hoặc xính)
- Công suất của máy neo
- Phương thức kéo
- Tốc độ kéo. Các tốc độ kéo được phân biệt như sau :
Tốc độ 3 m/s là tốc độ kéo nhanh, lực kéo nhỏ.
Tốc độ 1-2 m/s là tốc độ kéo trung bình, lực kéo trung bình.
Tốc độ 0,3-0,5 m/s là tốc độ kéo chậm, lực kéo lớn.

2) Hầm xích neo : là thùng dùng để chứa dây neo (xích neo)
3) Hãm cáp neo : thiết bị dùng để hãm dây neo sau khi thả neo hoặc giữ ở vị trí lỗ thả
neo khi di chuyển công trình
4) Lỗ thả neo : là vị trí để đặt neo khi di chuyển công trình và hướng cho dây neo khi
thả neo và neo tại chỗ.
5) Dây neo : Là kết cấu dạng dây (dây cáp hoặc dây xích) dùng để liên kết kết cấu nổi
8
với neo ở đáy biển.
6) Neo
Neo làm nhiệm vụ giữ dây neo cố định với nền đất.
2.1.2. Các loại dây neo
Dây neo : Là kết cấu dạng dây (dây cáp hoặc dây xích) dùng để liên kết kết cấu nổi với neo ở
đáy biển.
- Dây cáp cấu tạo từ lõi bằng các sợi thép, có 6 bó sợi thép (mỗi bó gồm 19 hoặc 36 sợi) cuốn
xung quanh (Hình 2.6).



Hình 2.6. Dây cáp neo lõi thép
(Loại 6 bó-19 sợi và 6 bó-36 sợi)

Đầu dây cáp neo có kết cấu sau để liên kết với neo (Hình 2.7):


Hình 2.7 Chi tiết đầu dây cáp neo

- Dây xích có 2 loại :
+ loại với mắt xích không có ngáng (hình 2.8-c)
+ loại xích với mắt xích có ngáng (hình 2.8-a, b)

9

Hình 2.8. Các loại mắt xích neo
a) và b) - mắt xích có ngáng; c) - mắt xích không có ngáng


Hình 2.9 biểu diễn đường kính danh nghĩa của dây xích neo (d).



Hình 2.9. Đường kính danh nghĩa của xích (d)

Thông số quan trọng của dây neo là lực kéo phá huỷ (lực kéo đứt) tối thiểu F
R
. Tất cả các
dây cáp phải được thử trước khi sử dụng. Chiều dài của đoạn dây thử bằng 30 lần đường kính
dây. Bảng các thông số dây neo bằng cáp và xích được cho trong bảng 2.1-a và 2.1-b như một
ví dụ. Trên thực tế sẽ lấy theo các quy phạm hoặc các catalog của các nhà sản xuất (VD : hãng
Vicinay Cadenas ).
Bảng 2.1-a Lực kéo đứt tối thiểu của cáp thép (theo DnV)

Loại cáp Đường kính
danh nghĩa của
cáp (mm)

Lực kéo đứt tối thiểu
Khối lượng cáp
trên 1m dài
(kg)
Loại thép

1570 N/mm
2

Loại thép
1770 N/mm
2


6 bó
19 sợi/bó
24
26
28
30
323
379
440
505
364
428
496
569
2,4
2,8
3,3
3,8

10
Bảng 2.1-b Lực kéo thử và lực kéo đứt tối thiểu của xích

Ghi chú: Q2, Q3 - loại mác thép (nước sản xuất) và loại thép (về độ bền).
Pháp, Tây Ban Nha :Q ; Nauy : K ; Anh : U
Thép cấp 1: thép mềm ; Thép cấp 2: thép cường độ cao ; Thép cấp 3,4 : thép cường độ rất cao ;
Có 1 số loại thép chất lượng siêu cao : Ví dụ : QS (Pháp), K4 (Nauy), ORQ (Anh).
Mỗi loại thép phải được thử ở cường độ thử và không xuất hiện bất kỳ dấu hiệu nào của sự tổn
thất. Một vài phần tử phải được thử cho tới lực kéo đứt tối thiểu.
2.1.3. Cấu tạo các neo điển hình: Neo cọc, neo mỏ, neo mút:
. Neo cọc : cọc đơn hay nhóm cọc
Hình dưới biểu diễn cấu tạo và sơ đồ chịu lực ngang của neo cọc. Việc tính toán khả năng chịu
lực của neo cọc tương tự việc tính toán cọc của công trình biển cố định bằng thép.

Hình 2.10 Sơ đồ neo cọc chịu lực
11
Trong đó: Pile head - đỉnh cọc;
Mooring line - Đường dây neo;
Load - tải trọng tác dụng lên đường dây neo;
Latera earth pressure - áp lực ngang của đất nền
Skin friction - lực ma sát hông
. Neo mỏ (Anchor) có trọng lượng lớn (ví dụ, neo Vryhof ankers BV).
Cấu tạo chung của neo mỏ như sau:

Hình 2.11-a Neo mỏ không có cơ cấu thăng bằng

Shackle - móc neo; Fluke - mỏ neo; Shank - thân neo
Fluke angle - góc mở của mỏ neo; Fluke tip - đỉnh (mũi) mỏ neo
Tripping palms - bề rộng vào đất của neo
Crow or head - Đầu neo; Stabilizer - cơ cấu thăng bằng của neo

Hình 2.11-b Neo mỏ có cơ cấu thăng bằng
12

Các loại neo mỏ (neo bừa) được nêu trên hình 2.12 dưới đây:

Hình 2.12 Các loại neo mỏ (neo bừa)
Quá trình neo mỏ cắm vào nền đất khi chịu lực như sau:

Hình 2.13 Quá trình cắm neo
13

Việc lựa chọn loại neo và kích thước neo phải đảm bảo khả năng giữ của neo (anchor
holding capacity) Hmax:
H*FSH
Max


trong đó: FS - hệ số an toàn, phụ thuộc vào loại neo;
H - lực ngang tác dụng lên xích neo

. Neo mút :
Một loại neo khác được sử dụng để neo giữa công trình nổi ở vùng biển có độ sâu nước
lớn là neo mút (Hình 2.14). Hình ảnh một neo mút được trình bày trên hình 2.15:

Hình 2.14: neo mút

Hình 2.15 Neo mút trên bãi chế tạo
14

2.2. Phân loại hệ thống neo theo thời gian neo giữ công trình
Người ta phân biệt 3 loại neo (theo 3 mục tiêu sử dụng):

* Neo "di động": thời gian neo đậu từ vài giờ đến vài ngày.
Ví dụ, neo sử dụng cho những công trình cần di chuyển thường xuyên như tàu đặt ống
hoặc tàu thả cáp, sà lan thi công, tàu nạo vét luồng, tàu khảo sát địa chất,…

* Neo "tạm thời": Thời gian neo đậu từ vài tuần đến vài tháng.
Ví dụ, neo của dàn khoan bán chìm neo giữ khi khoan, một số sà lan thi công,…

* Neo "cố định" (neo "thường xuyên"): thời gian neo đậu “nhiều năm”.
Ví dụ, neo dùng cho phao chứa nổi, dàn khoan bán chìm sản xuất và khai thác, trạm
nhập/xuất dầu 1 điểm neo (Single Point Mooring).
Neo cố định đòi hỏi tính kiên cố cao vì thời gian hoạt động của neo lâu dài. Neo loại này
có thể là :
. Neo cọc : cọc đơn hay nhóm cọc,
. Neo mỏ (Anchor) có trọng lượng lớn (ví dụ, neo Vryhof ankers BV).

2.3. Các trạng thái chịu tải của giây neo một phía

Một đường dây neo có thể cấu thành từ một trong các dạng sau:
+ dây cáp,
+ dây xích,
+ hoặc hỗn hợp cả cáp và xích (đoạn tiếp xúc với đất thường là xích).
Đường dây neo có trọng lượng đơn vị không đổi chịu tác dụng của lực ngang có dạng
một đường dây. Như vậy, dạng hình học của đường dây neo phụ thuộc vào giá trị lực căng
trong dây neo (ký hiệu là T - tension), quan trọng nhất là thành phần nằm ngang của lực đó
(ký hiệu là H - horizontal). Giá trị của thành phần lực ngang này phụ thuộc vào 5 dạng hình
học cơ bản của đường dây neo được trình bày dưới đây.

15



Hình 2.16. Các dạng hình học của đường dây neo

Dạng 1. Đường dây neo hoàn toàn chùng không có lực căng tác dụng lên dây neo, lực
căng ngang T
H
= 0.
Dạng 2. Đường dây neo không bị căng, dây neo thoải, có 1 đoạn tiếp xúc với đất với
chiều dài là D.
Dạng 3. Đường dây neo căng tới hạn (D=0). Khi lực ngang tăng, điểm dây neo tiếp xúc
với đất tiến gần đến vị trí của neo. Góc tiếp xúc giữa dây và đất ở đầu neo bằng 0.
Dạng 4. Dạng hình học của dây có độ căng lớn. Góc của tiếp tuyến với đường dây neo
tại vị trí neo >0.
Dạng 5. Dây neo bị căng hoàn toàn. Lực tác dụng lên kết cấu là lớn.
Dạng 3 là dạng cơ bản của đường dây neo. Trong thiết kế cố gắng tránh 2 trường hợp 4
và 5, vì neo làm việc ở trạng thái bất lợi. Cần thiết kế sao cho khi làm việc neo chỉ chịu lực
ngang T
0
(T
0

710 trọng lượng neo). Nếu neo chịu lực dọc thì phải dùng neo cọc.





16
3. Tải trọng môi trường biển tác động lên công trình biển bán chìm
3.1- Xác định các điều kiện của môi trường biển khi thiết kế

Môi trường biển gây ra hai loại tải trọng tác dụng lên công trình biển :
- Tải trọng thường xuyên (tác dụng tựa tĩnh): lực gió, lực dòng chảy, một phần tải trọng
sóng, lực giữ của các dây neo.
- Tải trọng thay đổi: tải trọng do sóng thay đổi theo chu kỳ sóng (tác dụng động lực
học).
Để tính toán tải trọng môi trường tác dụng lên công trình nổi cần phải:
1) biết sự phân bố các yếu tố môi trường biển (gió, sóng, dòng chảy) theo thời gian và
tần suất xuất hiện của các yếu tố đó trong khoảng thời gian đời sống công trình.
2) thực hiện các đo đạc tại vị trí sẽ xây dựng công trình hoặc có được một mô hình
nghiên cứu môi trường đúng đắn.

Khi tính toán hệ thống neo có 3 điều kiện tác dụng của ngoại lực môi trường biển lên công
trình nổi được xem xét :
+ Điều kiện để công trình nổi hoạt động bình thường;
+ Điều kiện cực trị (ngoại lệ): điều kiện nguy hiểm nhất xảy ra trong đời sống của công
trình nổi (công trình nổi không rời vị trí, mọi hoạt động khai thác cần chấm dứt);
+ Điều kiện sống còn của công trình nổi sau khi có 01 dây neo bị đứt (công trình vẫn
phải tồn tại). Khi đó:
- Mọi hoạt động khai thác cần chấm dứt
- Tháo ống chống đối với dàn khoan thăm dò và dàn khoan khai thác.

a) Điều kiện để công trình biển hoạt động bình thường

Điều kiện để công trình nổi hoạt động bình thường là điều kiện xảy ra nhiều nhất về mặt
thống kê. Trong điều kiện bình thường, tất cả các hoạt động sản xuất diễn ra một cách an toàn
tại mỏ.
Giá trị thông số của môi trường là hàm mật độ xác suất của một thông số nào đó (ví dụ,
gió hoặc sóng).
Hàm phân phối xác suất của một sự kiện xảy ra trong khoảng (x
1
, x
2
) được xác định theo
công thức sau:


2
1
x
x
dx)x(fS
trong đó: f(x)  mật độ xác suất; (x
1
, x
2
)  khoảng xét của thông số x đang xét
S  hàm phân phối xác suất

17
Điều kiện môi trường bình thường được coi là điều kiện với xác suất xảy ra là 95% hoặc

99% (hình 2.6-a).

b) Điều kiện cực trị
Điều kiện cực trị có xác suất xảy ra, ví dụ 5% (hay 1%) trong giai đoạn đang xét. Do
vậy, cần phải xác lập luật phân phối xác suất các giá trị cực đại của thông số đang xét (sóng,
gió,…) trong đời sống công trình. Giá trị cực đại này sẽ được sử dụng làm giá trị tính toán của
thiết kế (hình 2.17-b).

x1 x2
f(x)

Hình 2.17-a. Điều kiện bình thường


Hình 2.17-b. Điều kiện cực trị

Trên hình 2.17-c là luật phân phối xác suất của các giá trị cực trị trong đời sống thiết kế của
công trình.
1
2
3

Hình 2.17-c
Trên hình 2.17-c : 1) là luật phân phối xác
suất của thông số đang xét (sóng, gió hoặc
dòng chảy) ; 2) là luật phân phối xác suất
của giá trị cực đại của thông số đang xét
xảy ra trong đời sống công trình ; 3) là giá
trị cực đại xảy ra với xác suất lớn nhất.

Trong điều kiện cực trị :
. Đối với neo “thường xuyên” (neo giữ dàn bán chìm khai thác, kho chứa nổi, ): mọi
hoạt động công nghệ tạm dừng, cần hạn chế sự trôi dạt của công trình.
. Đối với neo “tạm thời”: cần phải xác định 2 giá trị liên quan đến điều kiện khai thác.
- đến ngưỡng xác suất 5%: công trình nổi hoạt động bình thường, ví dụ, sà lan công
tác vẫn ở tại vị trí làm việc; không tháo ống chống của dàn khoan nổi… Cần hạn chế sự trôi
dạt của các công trình.
- đến ngưỡng xác suất 1%: công trình nổi ở trong điều kiện sống còn, tháo ống
18
chống khỏi công trình, sà lan công tác rời xa vị trí làm việc, không cần hạn chế sự trôi dạt của
công trình.

c) Điều kiện sống còn sau khi 1 dây neo bị đứt
Trong điều kiện cực trị khi có 1 dây neo bị đứt thì công trình ở trong tình trạng sống còn.
Khi đó :
- ngừng mọi hoạt động của mọi loại công trình
- tháo ống chống đối với dàn khoan hoặc dàn sản xuất


3.2. Tác động của gió
3.2.1. Đặc trưng của gió
Có 2 cách mô tả gió:
+ Mô hình tiền định: đặc trưng bởi vận tốc gió trung bình và vận tốc gió giật xét trong
một khoảng thời gian nào đó (thường là 10 phút hay 1 giờ);
+ Mô hình ngẫu nhiên: gió được đặc trưng bởi phổ năng lượng.
Trong tính toán công trình biển bán chìm, do chuyển động có quán tính của kết cấu nổi và
của khối lượng nước kèm hấp thụ lực tác dụng của gió giật, nên tác dụng của gió lên kết cấu
nổi truyền sang dây neo được coi là lực tựa tĩnh.

a) Đo vận tốc gió

Gió được đặc trưng bởi vận tốc và hướng gió. Các số liệu đo vận tốc và hướng gió được
trung bình hoá trong khoảng thời gian 10 phút hoặc 1 giờ. Các số liệu đo gió được quy về độ
cao 10 mét nằm phía trên mặt nước tĩnh (Still Water Level - SWL).
Mặt nước tĩnh được xác định như sau :
SWL= Mực nước trung bình + Biên độ triều cao + Nước dâng do bão
hoặc SWL= Mực nước triều cao + Nước dâng do bão

b) Profil của vận tốc gió theo chiều cao
Giá trị của vận tốc gió trung bình theo thời gian ở độ cao z tính từ mặt nước tĩnh (SWL)
của biển được xác định theo công thức sau :









10
z
V.V
1tz
(2.1)
trong đó :
V
tz
 vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian t ở độ cao z mét ;
z  độ cao (mét) tính từ mặt nước biển ;
V

1
 vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian 1h ở độ cao
10 mét so với mặt nước biển ;
19


 số mũ, phụ thuộc thời gian tính toán vận tốc gió trung bình;


- hệ số gió giật.
Các hệ số

và

được cho trong bảng 2.2-a.

Bảng 2.2-a. Hệ số  và  để tính toán profil vận tốc gió
Hệ số Thời gian tính toán vận tốc gió trung bình
1h 10' 1' 15s 5s 3s

1,00 1,06 1,18 1,26 1,31 1,33


0,15 0,13 0,113 0,106 0,102 0,10


c) Phổ của gió
Phổ của gió được xác định theo công thức sau:

6

5
2
2
1
)f
~
2(
f
~
f
1
KV4)f(S

 (2.2)
trong đó:

1
V
L.f
f
~
  tần số không thứ nguyên
S  mật độ áp lực gió (m
2
/Hz)
f  tần số (Hz)
L  chiều dài qui chiếu (m)
K  hệ số ma sát
V
1

 vận tốc gió xác định theo mục b) nêu trên
Tuỳ theo điều kiện từng vùng biển, có thể sử dụng các công thức phổ gió khác.
Chiều dài L trong trường hợp chung được lấy L=1800m.
Hệ số K được lấy như sau:
K=0,0020 đối với biển động
K=0,0015 đối với biển bình thường

3.2.2. Lực gió

Lực gió tác dụng lên kết cấu phụ thuộc vào hình dáng của kết cấu. Có 3 loại mô hình kết
cấu được sử dụng để tính toán lực gió như sau :

a) Kết cấu gồm các phần tử (ví dụ, công trình biển thép Jacket) : để tính toán lực gió tác
dụng lên công trình có thể tách kết cấu ra thành các phần tử có dạng hình học đơn giản; lực gió
được tính toán cho từng phần tử kết cấu có kể đến hệ số cản tương ứng với hình dạng phần tử
kết cấu và được tổng hoá cho toàn bộ công trình.
20

b) Kết cấu khối lớn (tàu thủy, bể chứa nổi, ) : lực gió được xác định bằng các công
thức tổng quát.

c) Kết cấu hỗn hợp gồm kết cấu khối lớn và kết cấu có thể chia ra thành các phần tử kết
cấu (ví dụ, dàn khoan bán chìm, tàu khoan có tháp khoan phía trên) : lực gió được tính toán
theo 2 trường hợp nêu trên.
Trường hợp cần thiết, để xác định lực gió cần phải thử nghiệm mô hình trong ống thổi
khí động lực học.

a) Lực gió tác dụng lên kết cấu gồm các phần tử kết cấu hình dạng đơn giản
Lực gió tác dụng lên phần tử kết cấu có hình dạng đơn giản được xác định theo công thức
sau :

2
tzw
VAC
2
1
F  (2.3)
trong đó:
 - khối lượng riêng của không khí (
3
m/kg 225,1 đối với không khí khô)
A- diện tích hình chiếu bề mặt hứng gió của phần tử kết cấu lên mặt phẳng vuông góc
với hướng gió thổi;
V
tz
- vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian t ở độ cao z tính từ mặt nước biển
trung bình ;
C - hệ số cản, phụ thuộc vào số Reynolds )R(
e
, hình dạng mặt cắt hứng gió và chiều
dài của phần tử kết cấu;
Hệ số Reynolds:


tz
e
V.D
R (2.5)
với D - kích thước đặc trưng của bề mặt hứng gió của phần tử kết cấu (với ống tròn D là
đường kính ống)


- hệ số nhớt động học của không khí )s/m(10.46,1
25
 ở nhiệt độ
C
15
t
oo

.
Bảng 2.2-b cho giá trị hệ số cản vận tốc (

C ) của các phần tử kết cấu có chiều dài vô
hạn và mặt cắt ngang đơn giản.
Đối với các phần tử kết cấu có chiều dài hữu hạn thì hệ số cản vận tốc (C) được tính toán theo
công thức sau:
C = k . C

(2.6)
trong đó:

C - hệ số cản vận tốc của các phần tử kết cấu có chiều dài vô hạn và mặt cắt
ngang đơn giản (bảng 2.2-b);



21

Bảng 2.2-b. Các hệ số cản vận tốc của các phần tử kết cấu có chiều dài vô hạn và mặt cắt

ngang đơn giản
Ti
ết diện

Sơ đ
ồ


C
Tròn


0,6

Ch
ữ I

đ
ứng


1,6

Ch
ữ I

ngang


1,9

Ch
ữ nhật

ngang


0,75


Chữ nhật đứng

2,1

Hình vuông


2,0

Hình vuông

xoay


1,5



k - hệ số qui đổi (cho trong bảng 2.2c), là hàm số phụ thuộc vào:
L

D

l - chiều dài phần tử kết cấu;
D - kích thước đặc trưng của mặt cắt vuông góc với hướng gió (đối với mặt cắt tròn D
là đường kính ngoài).
Bảng 2.2c Hệ số qui đổi k cho phần tử kết cấu có chiều dài hữu hạn
TT

l/D 2 5 10 20 40 50 100



1 Trụ (Đk trước tới hạn) 0,58

0,62

0,68

0,74

0,82

0,87

0,98

1,0
2 Trụ (Đk trên tới hạn) 0,8 0,8 0,82

0,9 0,98

0,99

1,0 1,0
2 Tấm phẳng vuông góc
với hướng gió

0,62


0,66


0,69


0,81


0,87


0,90


0,95


1,0

Khi xét trường hợp kết cấu có nhiều phần tử kết cấu hình dạng đơn giản đặt kề nhau
người ta phân biệt hai trường hợp sau.

* Trường hợp 1: Hiệu ứng đậm đặc:
Các phần tử kết cấu nằm kề nhau trong cùng một mặt phẳng vuông góc với hướng gió thổi.
22

Hình 2.18 Các phần tử kết cấu nằm kề nhau
Lực gió được xác định theo công thức sau :

2
tz1w
VAC
2
1
F  (2.7)
trong đó:
 - khối lượng riêng của không khí
C - hệ số cản có xét đến hệ số đậm đặc  cho trong bảng 2.2-d.
Bảng 2.2-d. Hệ số cản C có xét đến hệ số đậm đặc 

Hệ số
đậm đặc 
Hệ số cản C
Phần tử
phẳng
Phần tử có mặt cắt ngang
hình tròn
5
e

10.2,4R 

5
e
10.2,4R 

0,1 1,9 1,2 0,7
0,2 1,8 1,2 0,8
0,3 1,7 1,2 0,8
0,4 1,7 1,1 0,8
0,5 1,6 1,1 0,8
0,75 1,6 1,5 1,4
1,0 2,0 2,0 2,0

 - hệ số đậm đặc, được tính theo công thức sau :

A
A
N
1i
i


 (2.8)
A
i
 diện tích hình chiếu mặt chắn gió của phần tử kết cấu thứ i lên mặt phẳng vuông
góc với hướng gió thổi
A - diện tích hình chiếu của hình bao các phần tử kết cấu lên mặt phẳng vuông góc với
hướng gió thổi

23

tz
V - vận tốc trung bình của gió được xác định như trong mục 3.2.2-b nêu trên.

* Trường hợp 2: Hiệu ứng che khuất :
Các phần tử nằm kề nhau trong cùng một mặt phẳng song song với hướng gió thổi.

Vz
1
2
i . . . n

Hình 2.19 Các phần tử kết cấu che khuất nhau
Lực gió được xác định theo công thức sau :


.FF
w2w
(2.9)
trong đó:
 - hệ số che khuất (bảng 2.2-e)

w
F - lực gió tác động lên phần tử đầu tiên.
Chú ý: Trong trường hợp các phần tử đặt gần nhau trong cùng một mặt phẳng song song với
hướng gió, nếu số vật thể lớn hơn 2, thì lực gió tác dụng lên phần tử thứ 3 trở đi lấy bằng lực
gió tác dụng lên phần tử thứ 2.

Bảng 2.2e. Các hệ số để xét đến hiệu ứng che khuất 

Hệ số khoảng
cách 
Giá trị hệ số

tương ứng với một giá trị của
hệ số  cho dưới đây
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
1 1,0 0,96

0,90

0,80

0,68

0,54

0,44

0,37

2 1,0 0,97

0,91

0,82

0,71

0,58

0,49

0,43

3 1,0 0,97

0,92

0,84

0,74

0,63

0,54

0,48

4 1,0 0,98

0,93

0,86

0,77

0,67

0,59

0,54

5 1,0 0,98

0,94

0,88

0,80

0,71

0,64

0,66


Các đại lượng trong bảng 2.2-e:

  hệ số khoảng cách được tính như sau:
khoảng cách giữa các trục phần tử nằm trùng với hướng gió
24
 = 
khoảng cách giữa các trục phần tử nằm vuông góc với hướng gió
 - hệ số đậm đặc khí động lực học,
a

.





 - hệ số đậm đặc (bảng 2.2d)
a - hệ số lấy theo các giá trị sau:
a=1,6 đối với phần tử phẳng
a=1,2 đối với phần tử trụ tròn ở chế độ chảy trước tới hạn
a=0,5 đối với phần tử trụ tròn ở chế độ chảy trên tới hạn

b) Lực gió tác dụng lên kết cấu dạng khối lớn

Đối với các kết cấu nổi dạng khối lớn như tàu thuỷ, tàu khoan, , để tính toán lực gió
lên phần kết cấu nằm phía trên mặt nước người ta sử dụng công thức của Hughes:

)cos(
cos.Bsin.A
VC
2
1
F
22
2
xw


 (2.10)
trong đó:
C
x

- hệ số cản vận tốc phụ thuộc góc .
 - góc tới của gió so với trục dọc của tàu
 - khối lượng riêng của không khí
V- vận tốc gió tại vị trí trọng tâm của hình chiếu diện tích bề mặt hứng gió lên mặt
phẳng vuông góc với hướng gió thổi;
 - góc giữa hướng tác dụng của lực gió so với trục dọc của tàu (trường hợp tổng quát  = )

Hình 2.20. Các mặt đón gió của tàu
A - diện tích hình chiếu phần kết cấu thân tàu nằm phía trên mặt nước lên mặt phẳng
đứng dọc thân tàu (A = A
C
+ A
S
)
B = B
s
+ 0,3.B
c

B
s
 diện tích hình chiếu kết cấu thượng tầng của tàu (phần kết cấu nằm phía trên
boong chính) lên mặt phẳng đứng vuông góc với trục dọc thân tàu;
B
c
 diện tích hình chiếu của phần thân tàu nằm giữa đường mặt nước
và boong chính lên mặt phẳng đứng vuông góc với trục dọc thân tàu;
Ac
B
c

B
s
As
hướng gió

y
y
x
x
z
25

Trên hình 2.21. biểu diễn hệ số cản C
x
phụ thuộc góc thổi của gió lên tàu khoan.

Hình 2.21. Hệ số cản C
x
phụ thuộc góc thổi của gió

3.3. Tác động của dòng chảy
Dòng chảy của nước biển là tổng cộng của các dòng chảy sau :
- dòng chảy tuần hoàn thường xuyên của nước biển do đặc điểm địa hình gây nên ;
- dòng chảy do gió : liên hệ trực tiếp với các đặc trưng của gió ; vận tốc của dòng chảy
này trên mặt nước = 1- 3% vận tốc gió, hướng có thể tạo với hướng gió 1 góc 45°, chỉ ảnh
hưởng đến 1 lớp nước bề mặt độ dày một vài m.
- dòng chảy do triều : thay đổi cả về vận tốc và hướng theo chu kỳ 12h hoặc 24h.
3.3.1. Vận tốc dòng chảy
Trường hợp không có số liệu đo dòng chảy tại vị trí xây dựng, có thể xác định vận tốc
dòng chảy tổng cộng ở độ cao z so với mặt nước tĩnh theo công thức sau :

V(z) = V
triều
(z) + V
gió
(z) (2.11)
trong đó:
. Vận tốc dòng chảy do triều :
V
triều
(z) = V
triều

7
1
)
d
zd
(

đối với
0
z

(2.12)

. Vận tốc dòng chảy do gió :
0)z(V
giã

khi

o
dz


(2.13-a)
)
d
zd
(V)z(V
o
o
giãgiã

 khi
o
dz0



(2.143-b)
với V
triều
 vận tốc của dòng chảy trên mặt nước do triều gây ra
V
gió
 vận tốc của dòng chảy trên mặt nước do gió gây ra