Luận án : Nghiên cứu sự suy giảm độ tin cậy theo thời gian của kết cấu chân đế công trình biển cố định bằng thép do ảnh hưởng của tổn thất mỏi

-i -


Lời cảm ơn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể các thầy hướng dẫn khoa học,

PGS.TS. Đinh Quang Cường và GS.TS. Phạm Khắc Hùng, đã tận tâm hướng
dẫn và giúp đỡ tác giả để hoàn thành luận án này. Ngoài các kiến thức khoa học quý
báu, các thầy đã luôn động viên, quan tâm hỗ trợ để tác giả vượt qua được nhiều
thời điểm khó khăn trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin đặc biệt cảm ơn
GS. TS. Phạm Khắc Hùng đã cho phép tác giả vận dụng một phần sáng chế của
mình để giải quyết các vấn đề trong luận án.
Tác giả chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong Viện Xây dựng Công trình
Biển, các cán bộ Khoa Sau Đại học trường Đại học Xây Dựng đã đóng góp ý kiến
về chuyên môn và tạo điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành luận án này.
Tác giả cảm ơn gia đình yêu quý của mình, đặc biệt đối với vợ, các con và
cha mẹ hai bên nội ngoại đã tin tưởng, khích lệ, cảm thông cho tác giả trong những
năm tháng làm luận án.
Tác giả

Mai Hồng Quân




-ii -


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất cứ công trình nào khác.

Ngày …. tháng… năm 2014
Nghiên cứu sinh

Mai Hồng Quân







-iii -


Mục lục
Lời cảm ơn i
Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu ix
Danh mục các hình vẽ xii
Danh mục các bảng biểu xiv
Mở đầu 1
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 1
Ý nghĩa khoa học: 1
Ý nghĩa thực tiễn của luận án: 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ AN TOÀN
KẾT CẤU CHÂN ĐẾ CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP (JACKET)

1.1. Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép 4
1.1.1. Khái quát về công trình biển cố định bằng thép 4
1.1.2. Các tải trọng tác động lên công trình biển cố định 5
1.1.3. Yêu cầu cơ bản về thiết kế và thi công 5
1.1.4. Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép trên thế giới 6
1.1.5. Tình hình ứng dụng và triển vọng phát triển loại công trình biển cố định bằng
thép để khai thác dầu khí ở Việt Nam 7
1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng các phương pháp đánh giá an toàn kết cấu
jacket trong các tiêu chuẩn hiện hành 8
1.2.1. Các phương pháp đánh giá an toàn sử dụng trong tiêu chuẩn hiện hành 8
1.2.1.1. Phương pháp đánh giá theo các trạng thái giới hạn 8
1.2.1.2. Phương pháp đánh giá theo độ tin cậy 9
1.2.2. Nhận xét về các phương pháp đánh giá an toàn sử dụng trong các tiêu chuẩn
hiện hành 10
1.2.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế 10
1.2.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 11
1.2.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 11
1.3. Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án 12
-iv -


1.3.1.1. Nguyên lý tổng quát để đánh giá an toàn của các loại kết cấu công trình
biển theo sáng chế của GS. Phạm Khắc Hùng 12
1.3.2. Đặt vấn đề nghiên cứu 13
1.3.3. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án 13
1.4. Các giả thiết và giới hạn nghiên cứu trong luận án 14
1.5. Kết luận của chương 1 15

CHƯƠNG 2: ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CỦA KẾT CẤU JACKET CÔNG TRÌNH
BIỂN CỐ ĐỊNH DỰA TRÊN TÍNH TOÁN BỀN VÀ MỎI TRUYỀN THỐNG

2.1. Mở đầu 16
2.1.1. Các trạng thái tác động sóng lên các công trình biển 16
2.1.2. Đánh giá an toàn của kết cấu theo tiêu chuẩn hiện hành 17
2.1.2.1. Đánh giá theo điều kiện bền 17
2.1.2.2. Đánh giá an toàn theo điều kiện mỏi 17
2.2. Mô tả chuyển động sóng biển bề mặt 18
2.2.1. Mô tả sóng theo quan điểm tiền định 18
2.2.1.1. Các lý thuyết sóng 18
2.2.1.2. Miền áp dụng các lý thuyết sóng 19
2.2.2. Mô tả sóng theo quan điểm ngẫu nhiên 19
2.2.2.1. Mặt cắt (profile) của sóng ngẫu nhiên 19
2.2.2.2. Phổ năng lượng của sóng 20
2.2.2.3. Các phổ sóng thông dụng trong thiết kế kết cấu công trình biển 21
2.2.2.4. Phổ vận tốc và gia tốc của phần tử nước do sóng ngẫu nhiên 22
2.3.Tải trọng sóng tác dụng lên các phần tử mảnh của kết cấu jacket 22
2.3.1. Tải trọng sóng tiền định 22
2.3.2. Tải trọng sóng ngẫu nhiên 23
2.4. Đánh giá an toàn của kết cấu jacket theo điều kiện bền truyền thống 24
2.4.1. Đánh giá an toàn của kết cấu dựa trên mô hình sóng tiền định 24
2.4.1.1. Xác định phản ứng động của kết cấu theo mô hình tiền định 24
-v -


2.4.1.2. Kiểm tra bền của kết cấu theo mô hình tiền định 25
2.4.2. Đánh giá an toàn của kết cấu dựa trên mô hình sóng ngẫu nhiên 25
2.4.2.1. Phương pháp phổ 25
2.4.2.2. Phương pháp giải trong miền thời gian 26
2.5. Đánh giá an toàn của kết cấu jacket theo điều kiện mỏi truyền thống 28
2.5.1. Đánh giá an toàn về mỏi của kết cấu dựa trên mô hình sóng tiền định 28
2.5.1.1. Tính toán mỏi theo phương pháp tổn thất tích luỹ 28

2.5.1.2. Tính toán tổn thất mỏi theo mô hình sóng tiền định 29
2.5.2. Đánh giá an toàn về mỏi của kết cấu dựa trên mô hình sóng ngẫu nhiên 30
2.5.2.1. Ứng suất ngẫu nhiên tại điểm nóng 30
2.5.2.2. Xác định tổn thất mỏi trung bình của điểm nóng trong trạng thái biển ngắn
hạn bằng phương pháp phổ 31
2.5.2.3. Tuổi thọ mỏi trung bình của điểm nóng trong kết cấu jacket 33
2.6. Kết luận của chương 2 33

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP LUẬN ĐÁNH GIÁ MỨC SUY GIẢM ĐỘ TIN CẬY
THEO THỜI GIAN CỦA KẾT CẤU JACKET CÁC CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH
3.1. Mở đầu 35
3.1.1. Dạng tổng quát độ tin cậy theo điều kiện bền truyền thống 35
3.1.2. Dạng tổng quát độ tin cậy theo điều kiện mỏi truyền thống 35
3.2. Dạng tổng quát đánh giá sự suy giảm ĐTC tổng thể của kết cấu jacket 35
3.2.1. Dạng tổng quát độ độ tin cậy dựa trên điều kiện bền mở rộng 35
3.2.2. Dạng tổng quát độ độ tin cậy theo điều kiện mỏi mở rộng 36
3.3. Xác định độ tin cậy về bền của kết cấu jacket trong trạng thái biển ngắn
hạn cực đại 37
3.3.1. Ứng suất ngẫu nhiên trong kết cấu 37
3.3.2. Độ tin cậy về bền của kết cấu jacket khi ứng suất có phổ dải hẹp 38
3.3.3. Độ tin cậy về bền của kết cấu jacket khi ứng suất có phổ dải rộng 38
-vi -


3.4. Xác định độ tin cậy theo điều kiện mỏi tại một điểm nóng của kết cấu
jacket phụ thuộc vào thời gian khai thác 40
3.4.1. Xác định kỳ vọng và phương sai của tổn thất mỏi trong trạng thái biển ngắn
hạn tại một điểm nóng 40
3.4.1.1. Biểu diễn ứng suất ngẫu nhiên tại điểm nóng trong miền thời gian 40
3.4.1.2. Xác định số lượng chu trình ứng suất bằng kỹ thuật đếm dòng mưa 43

3.4.1.3. Xác định kỳ vọng và phương sai của tổn thất mỏi tại điểm nóng trong một
trạng thái biển ngắn hạn 44
3.4.2. Xây dựng hàm phân phối xác suất của tổn thất mỏi tại điểm nóng trong một
năm……… 48
3.4.2.1. Mật độ xác suất của tổn thất mỏi tại điểm nóng trong một năm 48
3.4.2.2. Hàm phân phối xác suất của tổn thất mỏi tại điểm nóng trong một năm 48

3.4.2.3. Đánh giá độ tin cậy về mỏi tại điểm nóng trong 1 năm………………… 49
3.5. Xác định độ tin cậy về mỏi tại điểm nóng ở thời điểm T(năm) 50
3.6. Xác định ĐTC của kết cấu tại điểm xét dựa trên điều kiện bền mở rộng 51
3.6.1. Độ tin cậy ứng với trường hợp ứng suất trong kết cấu có phổ dải hẹp 51
3.6.2. Độ tin cậy ứng với trường hợp ứng suất trong kết cấu có phổ dải rộng 51
3.7. Xác định ĐTC của kết cấu tại điểm xét dựa trên điều kiện mỏi mở rộng . 51
3.7.1. Kỳ vọng của tỷ số tổn thất mỏi mở rộng 51
3.7.2. Phương sai của tỷ số tổn thất mỏi mở rộng 52
3.7.3. Độ tin cậy tính theo điều kiện mỏi mở rộng 52
3.8. Đánh giá sự suy giảm ĐTC theo thời gian của KCCĐ jacket dựa trên ĐTC
thực tế (tổng thể) của KC tại điểm xét 52
3.9. Đánh giá mức độ suy giảm khả năng chịu tải của điều kiện biển cực đại
theo thời gian khai thác công trình 53
3.10. Sơ đồ thuật toán đánh giá an toàn của kết cấu jacket theo các phương
pháp truyền thống và theo phương pháp luận của Luận án 55
3.11. Kết luận của chương 3 60



-vii -


CHƯƠNG 4: VÍ DỤ ỨNG DỤNG

4.1. Mở đầu 61
4.2. Các số liệu đầu vào sử dụng trong ví dụ 61
4.2.1. Số liệu về công trình 61
4.2.2. Số liệu về môi trường 62
4.3. Các phần mềm máy tính sử dụng trong ví dụ 64
4.3.1. Các phần mềm thương mại 64
4.3.2. Phần mềm tự lập “ RFCAL” 65
4.4. Kết quả tính độ tin cậy theo điều kiện bền truyền thống 65
4.4.1. Kết quả tính nội lực ngẫu nhiên trong kết cấu 65
4.4.2. Kiểm tra bền của phần tử thanh 67
4.5. Độ tin cậy theo điều kiện mỏi truyền thống của kết cấu jacket 67
4.5.1. Tính toán tổn thất mỏi 68
4.5.1.1. Đầu vào tính mỏi 68
4.5.1.2. Tính toán ứng suất điểm nóng 69
4.5.1.3. Tính toán tổn thất mỏi tại điểm nóng 71
4.5.2. Kết quả tính toán độ tin cậy theo điều kiện phá hủy mỏi truyền thống 73
4.6. Đánh giá sự suy giảm độ tin cậy tổng thể của kết cấu jacket 73
4.6.1. Độ tin cậy tại điểm đặc trưng của kết cấu khi bắt đầu khai thác 73
4.6.2. Đánh giá sự suy giảm độ tin cậy và khả năng chịu tải của kết cấu trong quá
trình khai thác 74
4.6.2.1. Độ tin cậy theo điều kiện bền mở rộng 74
4.6.2.2. Kết quả tính độ tin cậy theo điều kiện mỏi mở rộng 75
4.6.2.3. Nghiên cứu bổ sung với trường hợp biến đổi khí hậu bất thường: 77
4.6.2.4. Kết quả tính toán độ tin cậy tổng thể của công trình 79
4.7. Đánh giá mức độ suy giảm khả năng chịu tải của điều kiện biển cực đại
theo thời gian khai thác công trình tại điểm xét 80
4.8. Kết luận của chương 4 81

-viii -

PHẦN

KẾT

LUẬN
1. Những kết quả đã đạt được 83
2. Những đóng góp mới của luận án 83
3. Kiến nghị của luận án 84
4. Hướng nghiên cứu phát triển của luận án 84
PHỤ LỤC: Chương trình tính mỏi ngẫu nhiên RFCAL ………… ……….…….90

-ix -


Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu
CTB Công trình biển
CTB CĐ Công trình biển cố định
TTB Trạng thái biển
ĐLNN Đại lượng ngẫu nhiên
QTNN Quá trình ngẫu nhiên
ĐTC Độ tin cậy
ߪ

Ứng suất trong kết cấu
ሾ
ߪ
ሿ

Ứng suất cho phép

ܴ

Khả năng chịu lực của vật liệu
ܴ
௞

Cường độ của vật liệu
ߛ
௠

Hệ số an toàn của vật liệu
ULS Trạng thái ứng suất cực hạn
WSD Thiết kế theo ứng suất cho phép
LRFD Phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số cường độ
ߛ
௜

Hệ số của tải trọng thứ i
FLS Trạng thái giới hạn phá hủy mỏi
ܦ

Tỷ số tổn thất mỏi
ሾ
ܦ
ሿ

Tỷ số tổn thất mỏi cho phép
D
T
Tỷ số tổn thất mỏi tích luỹ trong thời gian T

f (D
T
) Mật độ xác suất của D
T

ߛ

Hệ số an toàn về mỏi
a
m
Chiều sâu của vết nứt
N số chu trình ứng suất theo đường cong S-N
C, m
∆
௄

C, m các thông số theo quy tắc Paris
Hệ số cường độ ứng suất tại điểm nóng bị phá hủy mỏi
ܲ
,
ሾ
ܲ
ሿ

Độ tin cậy và độ tin cậy cho phép của kết cấu
ܲ
௙
,
ൣ
ܲ

௙
൧

Xác suất phá hủy và xác suất phá hủy cho phép
ߚ
௧௞
,
ሾ
ߚ
ሿ

Chỉ số độ tin cậy tính toán và chỉ số độ tin cậy cho phép
ܲ
஻

Độ tin cậy theo điều kiện bền
ܲ
௠

Độ tin cậy theo điều kiện mỏi
ܲ
௠்

Độ tin cậy theo điều kiện mỏi ở thời điểm T năm
-x -


ܲ
஻்௢௧

Độ tin cậy theo điều kiện bền tổng thể
ܲ
௠்௢௧

Độ tin cậy theo điều kiện mỏi mở rộng
ߟ
(
௧
)

Mặt cắt bề mặt sóng biển (Profile sóng )
T
z
Chu kỳ trung bình cắt không
T
c
Chu kỳ trung bình của các đỉnh sóng cực đại (H
max
)
H, H
s
, H
max
Chiều cao sóng, chiều cao sóng đáng kể, chiều cao sóng cực đại
ܵ
ఎఎ
(
߱
)

Phổ sóng
ߝ

Thông số bề rộng dải phổ
(
)
x x
v v
S
ω

(
)
y y
v v
S
ω

Phổ vận tốc của phần tử nước theo phương x và phương y
(
)
x x
a a
S
ω

(
)
y y
a a

S
ω

Phổ gia tốc của phần tử nước theo phương x và phương y
F (t) Tải trọng sóng tác động lên kết cấu tính theo công thức Morison
F
D
(t) Thành phần lực cản của tải trọng sóng
F
I
(t) Thành phần quán tính của tải trọng sóng
ߩ

Mật độ nước biển
C
D
Hệ số cản vận tốc
C
M
Hệ số nước kèm
C
I
Hệ số quán tính
ݒ
,
ݒ
ሶ

Vận tốc và gia tốc của phần tử nước
ܵ

ிி
(
߱
)

Phổ tải trọng sóng lên phần tử kết cấu
ݑ
,
ݑ
ሶ
,
ݑ
ሷ

Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của vật cản
ߜ
௩௫

Độ lệch chuẩn của thành phần vận tốc
ݒ
௫

K,U
(t)
, F
(t)
Ma trận độ cứng, véc tơ chuyển vị nút và véc tơ tải trọng quy về nút
K
đ
Hệ số khuếch đại động

ω

Tần số dao động của sóng
1
ω

Tần số của dạng dao động riêng thứ nhất của kết cấu
T
1

Chu kỳ của dạng dao động riêng thứ nhất
ε

Hệ số cản của kết cấu khi dao động
Φ
(n
*
n)
Ma trận các dạng dao động riêng của kết cấu
-xi -


Y(t) Véc tơ chuyển vị suy rộng của hệ
M
ˆ

Ma trận khối lượng trong hệ tọa độ suy rộng
C
ˆ

Ma trận cản nhớt trong hệ tọa độ suy rộng

K
ˆ

Ma trận độ cứng trong hệ tọa độ suy rộng
F
ˆ
(t)

Véc tơ tải trọng trong hệ tọa độ suy rộng
T
Φ

Ma trận chuyển trí của ma trận các dạng dao động riêng
H(i
ω
)
Ma trận hàm truyền của hệ kết cấu
ܵ
௨
ೕ
௨
ೕ
(
߱
)

Phổ phản ứng của kết cấu
|

ܪ
(
݅߱
)
|

Mô đun hàm truyền
ܵ
ி
෠
ೕ
ி
෠
ೖ
(
߱
)

Phổ tải trọng trong hệ tọa độ suy rộng
N
A
, M
x
, M
y
Lực dọc, mô men uốn theo phương x, theo phương y của thanh
A, W
x
, W
y

Diện tích, mô men kháng uốn theo phương x, theo phương y
ߜ
ఙ

Phương sai của quá trình ứng suất
a Biên độ của quá trình ngẫu nhiên
݌
(
ܽ
)

Hàm mật độ phân phối xác suất của a
σ
max

Ứng suất cực đại tại điểm đang xét
߂߱

Bề rộng khoảng tần số khi rời rạc phổ
߮
௜

Góc lệch pha ngẫu nhiên
ߪ
௪

Ứng suất do tải trọng sóng ngẫu nhiên
ߪ
௪௠௔௫

Ứng suất lớn nhất do tải trọng sóng ngẫu nhiên gây ra
n
i

Số chu trình của số gia ứng suất là
ܵ
௜

N
i
Số chu trình gây phá hủy mỏi của số gia ứng suất S
i

S-N Đường cong mỏi
A , m Các thông số của đường cong mỏi Wholer
݌
(
ݏ
)

Hàm mật độ phân phối của số gia ứng suất s
SCF Hệ số tập trung ứng suất
ܦ
ଵ
௡
ă
௠

Tổn thất mỏi trong thời gian 1 năm
ܦ

்௡
ă
௠

Tổn thất mỏi trong thời gian T năm
P-M Palmgreen- Miner
ߤ

Kỳ vọng toán
ߪ
்஼

Ứng suất tổng cộng trong kết cấu

-xii -


Danh mục các hình vẽ
Trang

Hình 1.1 Công trình biển cố định bằng thép kiểu jacket, 5
Hình 1.2 Các công trình biển cố định đã được xây dựng ở vùng nước sâu 7
Hình 1.3 Các trạng thái biển tác động lên công trìn 11
Hình 1.4 Điểm nóng kiểm tra bền và kiểm tra mỏi tại đầu ống 12
Hình 1.5 Sơ đồ mô tả các bài toán đánh giá an toàn cho kết cấu jacket 14
Hình 2.1 Sơ đồ phân vùng áp dụng của các lý thuyết sóng 19
Hình 2.2 Thể hiện quá trình ngẫu nhiên của chuyển động sóng bề mặt 20
Hình 2.3 Phổ P-M và phổ JONSWAP 22
Hình 2.4 Minh họa chuyển đổi sóng biển từ phổ thành các sóng điều hòa 27
Hình 2.5 Quá trình ngẫu nhiên dải hẹp, quá trình ngẫu nhiên dải rộng 30

Hình 3.1 Độ tin cậy theo điều kiện mở rộng thay đổi theo thời gian 36
Hình 3.2 Một thể hiện của ứng suất điểm nóng theo thời gian 39
Hình 3.3 Ứng suất được sắp xếp thành các nhóm 40
Hình 3.4 Một thể hiện của nội lực ngẫu nhiên trong kết cấu 41
Hình 3.5 Biểu diễn ứng suất theo bước thời gian 42
Hình 3.6
Phổ ứng suất điểm nóng
S
஢஢
(
ω
)
42
Hình 3.7 Đếm số chu trình ứng suất theo pp đếm dòng mưa 43
Hình 3.8 Biểu đồ ứng suất sắp xếp theo nhóm 44
Hình 3.9 Hàm phân phối xác suất của D
1năm
49
Hình 3.10 Độ tin cậy của công trình 52
Hình 3.11 Quan hệ giữa ĐTC theo điều kiện bền và chiều cao sóng 53
Hình 3.12 Sơ đồ thuật toán chương trình tính toán mỏi ngẫu nhiên RFCAL 57
Hình 4.1 Mô hình kết cấu chân đế 61
Hình 4.2 Thể hiện ngẫu nhiên của lực dọc trong thanh 101L-202L 65
Hình 4.3 Thể hiện ngẫu nhiên của mô men Mx trongthanh 101L-202L 65
Hình 4.4 Thể hiện ngẫu nhiên của mô men My trongthanh 101L-202L 65
-xiii -


Hình 4.5 Sơ đồ kết cấu và nút được tính toán trong ví dụ 67
Hình 4.6 Đường cong mỏi S-N 67

Hình 4.7 Kết quả lực dọc N trong thanh 101L-202L 69
Hình 4.8 Kết quả Mx trong thanh 101L-202L 69
Hình 4.9 Kết quả My trong thanh 101L-202L 69
Hình 4.10 Kết quả ứng suất điểm nóng R trong thanh 101L-202L 69
Hình 4.11 So sánh ĐTC theo điều kiện bền truyền thống và điều kiện bền mở
rộng
74
Hình 4.12 So sánh ĐTC theo điều kiện mỏi truyền thống và mỏi mở rộng 76
Hình 4.13 Ảnh hưởng của số lần xảy ra bão cực hạn đến độ tin cậy theo điều
kiện mỏi của công trình tính ở thời điểm năm thứ 23
77
Hình 4.13b Độ tin cậy tổng thể tại điểm xét của kết cấu 79

-xiv -



Danh mục các bảng biểu
Trang
Bảng 3.1 Bảng mẫu kết quả tính toán ĐTC theo điều kiện mỏi truyền thống 58
Bảng 3.2 Bảng mẫu kết quả tính toán ĐTC theo điều kiện bền mở rộng 58
Bảng 3.3 Bảng mẫu kết quả tính toán ĐTC theo điều kiện mỏi mở rộng 58
Bảng 3.4 Bảng mẫu kết quả tính toán ĐTC theo điều kiện bền tổng thể 58
Bảng 4.1 Các thông số chính của công trình 60
Bảng 4.2 Số liệu sóng dùng tính toán bền 61
Bảng 4.3 Số liệu dòng chảy 62
Bảng 4.4 Số liệu gió 62
Bảng 4.5 Số liệu hà bám 62
Bảng 4.6 Số liệu sóng tính mỏi 62
Bảng 4.7 Số liệu địa chất 63

Bảng 4.8a Giá trị trung bình của các thành phần ứng suất tại điểm xét 66
Bảng 4.8b Độ lệch của các thành phần ứng suất tại điểm xét 66
Bảng 4.9 Phân phối sóng 1 năm theo hướng 68
Bảng 4.10 Phân phối sóng theo chu kỳ 68
Bảng 4.11 Xác suất của các TTB theo hướng 45
o
(Trung bình 1 năm) 70
Bảng 4.12

Xác suất của các TTB theo hướng 225
o
(Trung bình 1 năm) 70
Bảng 4.13

Xác suất của các TTB theo hướng 270
o
(Trung bình 1 năm) 70
Bảng 4.14 Kết quả tính toán độ tin cậy theo điều kiện mỏi truyền thống 72
Bảng 4.15 Kết quả tính toán độ tin cậy theo điều kiện bền mở rộng 73
Bảng 4.16

Kết quả tính toán theo điều kiện mỏi mở rộng với cơn bão kéo dài
trong 3h
74
Bảng 4.17

Kết quả tính toán theo điều kiện mỏi mở rộng với cơn bão kéo dài
trong 6h
75
Bảng 4.18 Kết quả tính toán mỏi mở rộng ở năm thứ 23 76

-xv -


Bảng 4.19 Kết quả tính toán mỏi mở rộng ở năm thứ 24 77
Bảng 4.20 Kết quả tính toán mỏi mở rộng ở năm thứ 25 77
Bảng 4.21 Tổng hợp kết quả tính toán độ tin cậy 78
Bảng 4.22 Quan hệ giữa chiều cao cóng H
s
và ĐTC theo điều kiện bền 80
Bảng 4.23 Kết quả tính toán độ tin cậy yêu cầu theo thời gian 80

-1 -


Mở đầu
Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án
Hiện nay đánh giá an toàn của các công trình biển theo độ tin cậy là một
phương pháp hiện đại đang được quan tâm để đưa vào sử dụng trong các quy phạm.
Phương pháp này có tiến bộ đáng kể là đã đưa vào mô hình hóa nhiều yếu tố ngẫu
nhiên ảnh hưởng đến an toàn của công trình mà các phương pháp khác chưa kể đến
được. Tuy vậy điểm căn bản của phương pháp này vẫn dựa trên việc xem xét một
cách riêng biệt hai điều kiện an toàn chính của kết cấu công trình biển; đó là điều
kiện bền (khi công trình chịu tác động của sóng cực đại) và điều kiện mỏi (khi
công trình chịu tác động của sóng thường xuyên trong trạng thái biển dài hạn).
Thực tế là: hiện tượng mỏi do các tác động của sóng biển từ khi xây dựng
công trình đến thời điểm đánh giá đã làm suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu
và tổn thất mỏi do sóng biển trong trạng thái biển cực đại gây ra phải được kể đến
cùng với tổn thất mỏi do trạng thái biển dài hạn tích luỹ trước đó.
Các ảnh hưởng thực tế nói trên làm suy giảm độ an toàn (độ tin cậy) và tuổi
thọ của kết cấu theo thời gian. Để đánh giá sự suy giảm độ tin cậy của kết cấu do

các ảnh hưởng này, tác giả đã tiến hành nghiên cứu và hoàn thành luận án với tên đề
tài là: “Nghiên cứu sự suy giảm độ tin cậy theo thời gian của kết cấu chân đế
công trình biển cố định bằng thép do ảnh hưởng của tổn thất mỏi”.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học:
Luận án đề xuất một phương pháp mới dựa trên mô hình xác suất và lý
thuyết độ tin cậy của kết cấu công trình để đánh giá an toàn và tuổi thọ mỏi cho các
kết cấu công trình biển cố định bằng thép chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án:
Việc xác định được độ tin cậy của từng vị trí trên kết cấu công trình tại một
thời điểm bất kỳ trong quá trình khai thác, có kể đến tích lũy mỏi từ thời điểm xây
dựng công trình đến thời điểm kiểm tra, và việc xác định được tuổi thọ mỏi của
-2 -


từng vị trí trên kết cấu công trình có kể đến tích luỹ mỏi do sóng biển trong các
trạng thái biển cực đại đã gặp trước thời điểm kiểm tra giúp chúng ta có thể giải
thích được hiện tượng một số kết cấu công trình gặp sự cố khi gặp bão nhỏ hơn bão
thiết kế. Đây là một kết quả quan trọng của luận án, có ý nghĩa thực tiễn cho các
hoạt động khai thác và bảo dưỡng kết cấu công trình, đảm bảo quá trình khai thác
được an toàn dựa trên công tác tối ưu hóa được kế hoạch khảo sát, chương trình
khảo sát và duy tu bảo dưỡng kết cấu.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:
Đối tượng nghiên cứu của luận án là kết cấu chân đế công trình biển cố định
bằng thép dạng jacket chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên.
Phương pháp nghiên cứu của luận án:
- Nghiên cứu phương pháp luận: nghiên cứu tìm hiểu phương pháp luận giải
các bài toán truyền thống (bài toán bền, bài toán mỏi) từ đó chỉ ra những vấn đề mà
các bài toán truyền thống chưa xét đến;
- Nghiên cứu ứng dụng: sử dụng các kiến thức cơ học, toán học và mô hình

xác suất để xây dựng các công thức để đánh giá sự suy giảm độ tin cậy của kết cấu
công trình biển cố định bằng thép .
- Thực hiện các tính toán bằng số (kết hợp phần mềm tính toán kết cấu SACS
với chương trình tự lập) để khảo sát kết quả ứng dụng phương pháp của luận án.
- So sánh với các phương pháp truyền thống để đưa ra các kết luận ứng dụng.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án;
- Nghiên cứu xác định các phản ứng ngẫu nhiên của kết cấu công trình biển cố
định bằng thép (nội lực và ứng suất ngẫu nhiên) do tác động của sóng biển.
- Nghiên cứu tổn thất mỏi ngẫu nhiên của kết cấu jacket do sóng biển gây ra
- Xác định độ tin cậy của kết cấu theo các điều kiện bền và mỏi.
- Nghiên cứu sự suy giảm theo thời gian của độ tin cậy do kể đến ảnh hưởng
của tổn thất mỏi và tổn thất mỏi do bão cực hạn gây ra.

-3 -


Cấu trúc của luận án:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về các phương pháp đánh giá an toàn kết cấu chân đế
công trình biển cố định bằng thép (Jacket)
Chương 2: Đánh giá an toàn của kết cấu jacket công trình biển cố định dựa trên
tính toán bền và mỏi truyền thống
Chương 3: Phương pháp luận đánh giá mức suy giảm độ tin cậy theo thời gian
của kết cấu jacket các công trình biển cố định
Chương 4: Ví dụ ứng dụng
Kết luận của luận án
Phụ lục
Luận án bao gồm 90 trang, 34 hình vẽ, 24 bảng biểu và phụ lục

-4 -


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KẾT CẤU
CHÂN ĐẾ CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP (JACKET)
1.1. Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép
1.1.1. Khái quát về công trình biển cố định bằng thép
Công trình biển cố định bằng thép là công trình biển có kết cấu khối chân đế
bằng thép được gọi là kiểu jacket có liên kết cố định với đáy biển bằng móng cọc
tại vị trí khai thác công trình. Ứng dụng nhiều nhất của công trình biển cố định bằng
thép là trong ngành khai thác dầu khí biển, ngoài ra còn được dùng phục vụ mục
đích quân sự và dịch vụ hậu cần ngoài khơi.
Trong các loại kết cấu công trình biển cố định bằng thép thì dạng công trình có
kết cấu khối chân đế kiểu jacket là loại công trình phổ biến nhất và cũng là đối
tượng nghiên cứu của luận án này. Các công trình biển cố định bằng thép có cấu tạo
gồm các phần chính như sau ( Hình 1.1):
- Thượng tầng: khối thượng tầng của công trình biển cố định được cấu tạo
bằng thép. Quy mô của khối thượng tầng tùy thuộc vào mục đích xây dựng công
trình. Đối với các công trình biển để khai thác dầu khí, khối thượng tầng chủ yếu
bao gồm các thiết bị phục vụ khai thác dầu khí. Bên cạnh các thiết bị phục vụ khai
thác dầu khí, khối thượng tầng của công trình biển cố định còn có thể có các không
gian kiến trúc cho người ở phục vụ khai thác công trình tại vị trí xây dựng.
- Kết cấu đỡ thượng tầng: là kết cấu thép, thường có dạng giàn không gian,
có nhiệm vụ đỡ các mô đun công nghệ thượng tầng và truyền tải trọng thượng tầng
xuống kết cấu khối chân đế.
- Kết cấu khối chân đế: là kết cấu khung không gian hình tháp - kiểu jacket,
cấu tạo từ các ống thép liên kết hàn với nhau, gồm các ông chính, ống nhánh vào
các mặt phẳng cứng nằm ngang.
- Kết cấu móng: là kết cấu móng cọc, bao gồm các cọc ống thép lồng trong

ống chính hoặc cọc đóng ngoài ống chính, (còn gọi là cọc váy - Skirt pile).
-5 -



Hình 1.1 Công trình biển cố định bằng thép kiểu jacket
1.1.2. Các tải trọng tác động lên công trình biển cố định
Các tải trọng chính tác động lên công trình biển cố định bằng thép bao gồm:
tải trọng thượng tầng, tải trọng bản thân của các thành phần kết cấu chính và các
thành phần phụ gắn vào công trình, tải trọng do gió, do sóng và dòng chảy, tải trọng
đẩy nổi, áp lực thủy tĩnh, tải trọng do động đất, do băng trôi, do sự cố …trong đó tải
trọng nguy hiểm nhất đến an toàn của công trình là tải trọng do sóng biển, đây là tải
trọng thay đổi ngẫu nhiên, có thể phá hủy công trình do cường độ lớn nhưng cũng
có thể phá hủy công trình theo thời gian do gây ra hiện tượng mỏi trong kết cấu.
1.1.3. Yêu cầu cơ bản về thiết kế và thi công
Công trình được xây dựng ngoài khơi xa và thường là các công trình độc lập.
Khi có sự cố xảy ra thì hậu quả thường rất nặng nề, trong đó vấn đề về an toàn cho
con người, cho môi trường là đáng quan tâm nhất rồi sau đó là giá trị kinh tế của
công trình và sản xuất. Vì vậy cần đảm bảo các yêu cầu an toàn “tuyệt đối ” có
-6 -


nghĩa là xác suất phá hủy phải rất nhỏ. Quy phạm DnV quy định xác suất phá hủy
lớn nhất cho các loại công trình biển khác nhau nhưng phải được hạn chế là P
f
=10
-3

hay độ tin cậy P=0.999 [26, 27, 28].
- Yêu cầu đối với công tác thiết kế: công trình phải được tính toán thiết kế

đảm bảo khả năng làm việc an toàn trong suốt thời gian tồn tại, đảm bảo đủ độ bền
chịu tác động của các tác động cực hạn như bão, động đất, băng trôi, đảm bảo độ
bền dưới các tác động thường xuyên của môi trường làm suy giảm khả năng chịu
lực của kết cấu như hiện tượng mỏi, hiện tượng ăn mòn kim loại… Phương pháp
thiết kế, phương pháp tính toán, các giả thiết tính toán và các công tác thiết kế phải
tuân thủ các yêu cầu của quy phạm chuyên ngành mới cập nhật gần nhất.
- Yêu cầu trong thi công chế tạo: công tác thi công chế tạo phải được thực
hiện theo các quy trình chặt chẽ nhằm đảm bảo chất lượng tuyệt đối cho công trình.
Các yêu cầu về dung sai cho phép, yêu cầu về kiểm tra chất lượng thi công phải
thực hiện theo đúng các yêu cầu của quy phạm hiện hành. Công tác thi công lắp đặt
phải được thực hiện với phương pháp, quy trình, thiết bị phù hợp đúng như thiết kế.
- Yêu cầu về bảo trì khi vận hành: công tác vận hành phải được thực hiện
đúng quy trình kỹ thuật đã thiết lập riêng cho công trình. Tiến hành khảo sát định kỳ
theo đúng cấp độ, đúng quy trình với chu kỳ khảo sát được quy định nhằm kịp thời
phát hiện các khuyết tật phát sinh trong kết cấu. Đặc biệt chú trọng tới việc khảo sát
các nút đã được cảnh báo có tuổi thọ mỏi thấp. Các công tác sửa chữa, gia cố phải
tiến hành ngay sau khi phát hiện khuyết tật.
1.1.4. Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép trên
thế giới
Công trình biển cố định đầu tiên được xây từ những năm 1940. Công trình
biển cố định chủ yếu là kiểu jacket đóng vai trò quan trọng nhất trong ngành khai
thác dầu khí biển ở các vùng nước nông (độ sâu d<1000ft theo phân loại của Mỹ).
Công trình loại này có mặt ở hầu hết ở các vùng mỏ trên toàn thế giới từ Biển
Bắc, vịnh Mexico, biển Brazil, biển Arập và ở các vùng biển khu vực châu Á như
Thái Lan, Malayxia, Việt Nam. Từ những công trình ban đầu ở các độ sâu <10m
-7 -


nước và dần dần cùng với sự phát triển, áp dụng tiến bộ khoa học của nhiều lĩnh
vực liên quan đã cho phép con người xây dựng thành công các công trình ở độ sâu

đến 412m nước (Công trình Bullwinkle), cùng 6 giàn khai thác ở vùng nước sâu
(d>303m) như trong hình1.2. [10].

Hình 1.2: Các công trình biển cố định đã được xây dựng ở vùng nước sâu
1.1.5. Tình hình ứng dụng và triển vọng phát triển loại công trình biển cố định
bằng thép để khai thác dầu khí ở Việt Nam[1, 8, 10]
Ứng dụng công trình biển cố định bằng thép ở Việt Nam:
Việt Nam xây dựng giàn cố định bằng thép đầu tiên vào năm 1983 tại mỏ
Bạch Hổ thuộc vùng biển ngoài khơi tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu. Đây là mỏ dầu được
khai thác đầu tiên của Việt Nam với độ sâu nước xấp xỉ 50m, gồm các giàn khai
thác kiểu (MSP) loại 2 chân đế và loại một chân đế với 8 ống chính, các giàn đầu
giếng (BK), các giàn người ở… Sau gần 30 năm hoạt động cho tới nay ngành dầu
khí biển Việt Nam đã phát triển với nhiều mỏ mới được phát hiện và khai thác ở các
độ sâu nước từ 40m đến 135m và với khoảng 70 công trình biển cố định bằng thép
kiểu jacket ở các vùng mỏ thuộc bể Cửu Long, Nam Côn Sơn, và vùng chồng lấn
Tây Nam. Ngành xây dựng công trình biển ở Việt Nam phát triển đồng bộ bao gồm
bộ phận thiết kế, thi công và khai thác với các cơ sở hạ tầng phát triển (nhiều bãi lắp
ráp chuyên dụng, nhiều nhà máy thi công chế tạo kết cấu chân đế giàn khoan), thiết
bị máy móc phục vụ thi công phát triển (nhiều cần cẩu loại lớn, nhiều phương tiện
nổi hiện đại, nhiều máy móc, thiết bị hiện đại). Kết quả đã đạt được của ngành Xây
dựng Công trình biển ở Việt Nam cho thấy rằng đội ngũ kỹ sư xây dựng công trình
-8 -


biển đã có kinh nghiệm và khả năng trong việc thiết kế, xây dựng các công trình
biển cố định bằng thép ở các vùng nước với độ sâu nước tới 150m.
Triển vọng và xu thế phát triển:
Ngành khai thác dầu khí biển Việt Nam đã và đang phát triển mạnh, tuy nhiên
cho tới nay chúng ta mới chỉ thăm dò và khai thác một phần rất nhỏ tiềm năng của
dầu khí biển vì vậy ngành công nghiệp dầu khí của Việt Nam cũng như ngành xây

dựng công trình biển có một triển vọng phát triển rất mạnh trong tương lai.
Việc phát triển thăm dò, tìm kiếm và khai thác dầu khí ở các vùng mỏ xa bờ
có độ sâu nước lớn hơn trên thềm lục địa Việt Nam và các vùng biển xa là tất yếu.
Trong tương lai gần việc nghiên cứu, xây dựng các công trình biển phục vụ khai
thác dầu khí ở độ sâu 150m đến 200m nước là một nhiệm vụ cấp bách đòi hỏi phải
sử dụng các phương pháp tính toán hiện đại, mục tiêu của luận án cũng nhằm đáp
ứng nhu cầu này.
1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng các phương pháp đánh giá an toàn kết
cấu jacket trong các tiêu chuẩn hiện hành
Việc tính toán thiết kế và đánh giá an toàn cho kết cấu công trình biển được
thực hiện theo các tiêu chuẩn chuyên ngành. Trong số đó tiêu chuẩn DnV, tiêu
chuẩn API, tiêu chuẩn ISO là các tiêu chuẩn được công nhận và sử dụng rộng rãi.
1.2.1. Các phương pháp đánh giá an toàn sử dụng trong tiêu chuẩn hiện hành
1.2.1.1. Phương pháp đánh giá theo các trạng thái giới hạn
Các tiêu chuẩn hiện hành đánh giá an toàn kết cấu dựa trên các trạng thái giới
hạn cơ bản như sau:
- Trạng thái giới hạn chịu lực cực đại (ULS):
o Phương pháp ứng suất cho phép (WDS/ASD): ứng suất lớn nhất trong
kết cấu do tải trọng thiết kế gây ra không được vượt quá ứng suất cho
phép của vật liệu [14, 27];
o Phương pháp các hệ số thành phần (LRFD): ứng suất lớn nhất trong kết
cấu do các tải trọng gây ra (tải trọng có hệ số tương ứng) không được vượt
quá sức chịu tải cực hạn của kết cấu [15].
-9 -


- Trạng thái giới hạn chịu mỏi (FLS):
Tác động lặp lại nhiều lần của tải trọng sóng gây ra tổn thất mỏi trong vật liệu
kết cấu, những tổn thất này tích lũy dần theo thời gian đến làm xuất hiện vết nứt và
dẫn đến phá hủy. Đánh giá an toàn theo trạng thái giới hạn mỏi được thực hiện cho

hai giai đoạn như sau[6, 7, 9]:
o Kiểm tra theo tỷ số tổn thất mỏi cho phép: tỷ số tổn thất mỏi tích lũy
trong kết cấu từ thời điểm xây dựng đến thời điểm kiểm tra không được
vượt quá tỷ số tổn thất tích lũy cho phép (mỏi ở giai đoạn 1);
o Kiểm tra theo vết nứt cho phép: vết nứt phát triển trong kết cấu không
được vượt quá vết nứt cho phép (mỏi ở giai đoạn 2 và giai đoạn 3).
- Các trạng thái giới hạn khác: ngoài các trạng thái giới hạn trên kết cấu
jacket cần được kiểm tra với các trạng thái giới hạn về điều kiện sử dụng (SLS),
trạng thái giới hạn sự cố (ALS), trạng thái giới hạn phá hủy lũy tiến (PLS)…
Trong luận án này chỉ nghiên cứu hai trạng thái giới hạn cơ bản nhất liên quan
đến độ bền của kết cấu đó là giới hạn cực đại (ULS) và trạng thái giơi hạn về mỏi
(FLS).
1.2.1.2. Phương pháp đánh giá theo độ tin cậy [18, 27]
Đánh giá theo độ tin cậy là một phương pháp hiện đại đang được đẩy mạnh
nghiên cứu và bước đầu đã được các quy phạm DnV, ISO và API đưa vào áp dụng
trong thực tiễn.
Điều kiện an toàn của kết cấu được đánh giá bằng xác suất an toàn, xác suất an
toàn tính toán phải lớn hơn xác suất an toàn cho phép (độ tin cậy phải lớn hơn độ tin
cậy cho phép) hoặc xác suất phá hủy phải nhỏ hơn xác suất phá hủy cho phép. Độ
tin cậy được đánh giá theo trạng thái giới hạn ULS (gọi là độ tin cậy theo điều kiện
bền) và theo trạng thái giới hạn FLS (gọi là độ tin cậy theo điều kiện mỏi).
Phương pháp độ tin cậy có tiến bộ là đã kể được các yếu tố ngẫu nhiên ảnh
hưởng đến an toàn của kết cấu mà các phương pháp khác không kể đến một cách
thích hợp được.
-10 -


1.2.2. Nhận xét về các phương pháp đánh giá an toàn sử dụng trong các tiêu
chuẩn hiện hành
Các tiêu chuẩn thiết kế nêu trên liên tục được cập nhật theo các kết quả

nghiên cứu mới nhất về mọi lĩnh vực liên quan để có được các quy định, các yêu
cầu và các chỉ dẫn tốt nhất cho người sử dụng.
Cho đến nay dù đã có nhiều thay đổi cập nhật nhưng các phương pháp đang sử
dụng trong các tiêu chuẩn vẫn còn tồn tại một số vấn đề kỹ thuật thực tế như sau:
- Khi kiểm tra an toàn theo điều kiện bền thì chỉ quan tâm đến cường độ ứng
suất do bão mà không quan tâm đến thời điểm xảy ra bão, tức là coi khả năng chịu
lực của kết cấu là không đổi theo thời gian (nói cách khác, độ tin cậy theo điều kiện
bền luôn là hằng số). Nhưng trong thực tế, tại thời điểm xảy ra bão cực đại, công
trình đã khai thác được một thời gian nhất định (Hình 1.3), trong khoảng thời gian
đó công trình đã chịu tác động của sóng thường xuyên và có tích lũy tổn thất mỏi tại
các điểm nóng (Hình 1.4) làm suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu dẫn đến độ
tin cậy theo điều bền suy giảm theo thời gian;
- Trong bài toán kiểm tra mỏi, do không thể có được số liệu sóng xảy ra trong
tương lai vì vậy phải sử dụng số liệu sóng trung bình 1 năm tính từ các số liệu đo
sóng trong một số năm trong quá khứ để tính mỏi, coi tuổi thọ mỏi ở các năm là như
nhau và tính cho toàn bộ đời sống công trình. Số liệu sóng để tính mỏi lấy theo cách
này không bao gồm hết được các sóng có biên độ lớn có thể xảy ra với công trình
(sóng bão). Các con sóng bão dù xảy ra không thường xuyên nhưng có biên độ ứng
suất lớn sẽ gây ra một lượng tổn thất mỏi nhất định làm cho tổn thất mỏi tổng cộng
tăng nhanh hơn so với cách tính thông thường dẫn đến độ tin cậy theo điều kiện
mỏi giảm nhanh hơn. Đặc biệt theo tình hình biến đổi khí hậu hiện nay số lần xảy ra
bão lớn ngày một nhiều hơn.
1.2.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế
Tình hình các nghiên cứu trên thế giới và trong nước nhằm giải quyết vấn đề
đặt ra ở trên được tổng kết như sau: