Ứng dụng một số phần tử hữu hạn cải biên trong phân tích giàn tự nâng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN CƠ HỌC




NGUYỄN HỮU CƯỜNG






ỨNG DỤNG MỘT SỐ PHẦN TỬ HỮU HẠN CẢI BIÊN
TRONG
PHÂN TÍCH GIÀN TỰ NÂNG






LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI 2007

§¹i häc quèc gia hµ néi
ViÖn khoa häc vµ c«ng nghÖ viÖt nam



tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ
viÖn c¬ häc




NGUYỄN HỮU CƯỜNG





ỨNG DỤNG MỘT SỐ PHẦN TỬ HỮU HẠN CẢI BIÊN
TRONG PHÂN TÍCH GIÀN TỰ NÂNG

Chuyên ngành: Cơ học vật thể rắn
Mã số: 60. 44. 21

LUẬN VĂN THẠC SĨ




Người hướng dẫn khoa học: TS Đào Như Mai





HÀ NỘI 2007






Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
1
MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5
DANH MỤC CÁC BẢNG 6
MỞ ĐẦU 7
CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU GIÀN TỰ NÂNG 10
1.1 Lịch sử phát triển của giàn tự nâng 10
1.2 Cấu tạo và chức năng của các bộ phận 12
1.2.1. Thân giàn 13
1.2.2 Các chân và các chân đế 14
1.2.3 Các thiết bị 15
1.2.4 Tải trọng ban đầu và sự đâm xuyên của chân đế. 16
1.3 Các chế độ làm việc của giàn tự nâng 17
1.3.1 Chế độ nổi 17
1.3.2 Chế độ kích nâng 19
1.3.3 Chế độ nâng (chế độ làm việc) 19
1.4 Các vấn đề cần quan tâm trong mô hình phân tích giàn tự nâng 20
1.5 Công cụ phân tích 21
1.5.1 Phƣơng pháp 21
1.5.2 Phần mềm áp dụng 21

Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
2
1.6 Kết luận chƣơng 22
CHƢƠNG 2. CÁC MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN CẢI BIÊN 23
2.1 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn 23
2.1.1 Nội dung phƣơng pháp phần tử hữu hạn 23
2.1.2 Mô tả toán học của phƣơng pháp phần tử hữu hạn 25
2.1.3 Phân tích khung không gian (Phần tử dầm ba chiều) 28
2.2 Phần tử dầm cải biên 34
2.2.1 Phần tử dầm hai chiều có kể đến ảnh hƣởng của lực dọc trục 34

2.2.2 Mô hình liên kết biên 41
2.3 Một số ví dụ áp dụng 45
2.3.1 Áp dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn tính toán cho khung phẳng 45
2.3.2. Phân tích khung không gian 48
2.4. Kết luận chƣơng 50
CHƢƠNG 3 PHÂN TÍCH GIÀN TỰ NÂNG 52
3.1. Cở sở phân tích 52
3.2 Các hiệu ứng động lực 52
3.3 Mô hình hoá cấu trúc 56
3.3.1 Mô hình dầm cột 56
3.3.2 Mô hình liên kết biên 58
3.4 Sóng và tải trọng sóng tác động lên kết cấu 59
3.4.1 Các giả thiết cơ bản của sóng biển 60
3.4.2 Lý thuyết sóng Ery 61

Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
3
3.4.2 Công thức Morison 63
3.5 Các phần mềm áp dụng cho tính toán giàn tự nâng 70
3.5.1 Chƣơng trình phân tích kết cấu bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn 67
3.5.2. Phần mềm tính toán tải trọng sóng tác dụng lên giàn tự nâng 71
3.6 Ví dụ áp dụng phân tích giàn tự nâng 72
KẾT LUẬN 78
PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO CỦA LUẬN VĂN 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO 82
PHỤ LỤC 84


Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học

Học viên: Nguyễn Hữu Cường
4
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ
J
x
, J
y
, J
z
các mômen quán tính tƣơng ứng theo các trục x, y, z.
U- Trƣờng chuyển vị
M – ma trận độ cứng
C - ma trận hệ số cản
K - ma trận độ cứng tổng thể
P - lực dọc trục tác động lên phần tử
T
e
–ma trận chuyển đổi hệ trục toạ độ

- ma trận hàm dạng của phần tử
D - ma trận hệ số đàn hồi

- tenxo ứng suất

- mật độ phân bố khối lƣợng của phần tử
E – modul đàn hồi
G – modul trƣợt
F - tiết diện mặt cắt ngang
L - Chiều dài phần tử
H – ma trận nội suy chuyển vị

H – lực tác động lên chân đế theo phƣơng ngang
M – mô ment tác động lên chân đế
M
1
, M
2
mô ment tác dụng lên hai đầu phần tử
V – lực tác dụng lên chân đế theo phƣơng thẳng đứng
21
,

- góc xoay tại hai đầu phần tử
v,

, h - lần lƣợt là chuyển dịch theo phƣơng thẳng đứng, góc xoay và chuyển
vị theo phƣơng ngang của chân đế

Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
5
DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ
Hình Trang
Hình 1.1 mô hình giàn tự nâng 10
Hình 2.1 mô hình phần tử dầm 3 chiều 29
Hình 2.2 (a) phần tử dầm Euler, (b) hƣớng dƣơng của các trục toạ độ
(c) các hƣớng dƣơng của các nội lực và ngoại lực tác động lên phân tố 35
Hình 2.3.1 các lực và các thành phần chuyển vị tại hai đầu phần tử dầm 36
Hình 2.3.2 phần tử dầm 2 chiều với 4 bậc tự do 37
Hình 2.4 mô hình khung phẳng 2 chiều 46
Hình 2.5 tám dạng riêng đầu tiên của khung phẳng 47

Hình 2.6 chuyển vị của bậc tự do thứ 4 và 11 47
Hình 2.7 dao động theo phƣơng ngang của bậc tự do thứ 4
(a). trƣờng hợp nén dọc trục, (b) kéo dọc trục 48
Hình 2.8 mô hình khung không gian 49
Hình 2.9 chuyển vị theo phƣơng ngang của nút 10 50
Hình 3.1 mô hình dầm cột tƣơng đƣơng cho giàn tự nâng 57
Hình 3.2 phần tử dầm Euler có kể đến ảnh hƣởng của lực dọc trục 58
Hình 3.3 các lực và chuyển dịch trên một chân đế 58
Hình 3.4 thanh hình trụ nằm bất kỳ trong nƣớc 64
Hình 3.5 đƣa tải trọng về 2 đầu nút 66
Hình 3.6 sơ đồ khối chƣơng trình DIAGANA 70
Hình 3.7 mô hình giàn tự nâng của cassidy 77
Hình 3.8 mặt sóng tác động lên chân đế 78
Hình 3.9 tải trọng sóng tác động lên giàn theo phƣơng ngang 78
Hình 3.10 chuyển vị ngang của sàn 79
Hình 3. 12 chuyển vị của sàn theo phƣơng thẳng đứng 80

Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
6
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Các hệ số độ cứng đàn hồi cho 1 chân đế hình nón đƣợc cắm trong
nền không nén đƣợc (công bố bởi Bell). 44
Bảng 2.2 Các hệ số độ cứng đàn hồi cho 1 chân đế hình nón với sự thay đổi
của góc ở đính đƣợc cắm trong nền không nén đƣợc 45
Bảng 2.3 Thông số hình học của khung 2D 45
Bảng 2.4 Thông số hình học của khung 3D 49
Bảng 3.1 Các thông số của giàn tự nâng 76
Bảng 3.2 Các thông số của đế móng 76
Bảng 3.3 Các tần số riêng đầu tiên 77

Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
7
MỞ ĐẦU
Giàn tự nâng là dạng công trình có nhiều tính năng và công dụng: trong
thăm dò khai thác dầu khí biển, phục vụ xây dựng công trình biển, trong dịch
vụ kỹ thuật trên biển. Giàn tự nâng về bản chất là một tổ hợp thiết bị lắp đặt
trên một sàn công tác. Sàn công tác này có hai trạng thái: khi di chuyển nó là
phao nổi, khi công tác nó đƣợc nâng lên trên các chân đế và làm việc nhƣ các
giàn cố định. Do đặc tính linh động khi di chuyển nhƣ các phƣơng tiện nổi và
ổn định tốt khi làm việc dƣới tác động của tải trọng môi trƣờng (sóng, gió,
dòng chảy…) nhƣ công trình biển cố định, giàn tự nâng ngày nay đƣợc sử
dụng rộng rãi trong xây dựng công trình biển.
Tại Việt Nam một số giàn tự nâng đã và đang đƣợc sử dụng phục vụ cho
công tác thăm dò dầu khí biển (các giàn Cửu Long và Tam Đảo) và phục vụ
xây dựng công trình biển (có một số giàn cỡ nhỏ do các đơn vị trong nƣớc
thiết kế chế tạo).
Với tầm quan trọng trong nền công nghiệp khai thác xa bờ, ngày nay
thiết kế, chế tạo các giàn khoan di động đã trở thành một ngành công nghiệp
phát triển mạnh mẽ trên thế giới. Việc nghiên cứu, phân tích các ứng xử động
lực học của giàn dƣới tác động của các tải trọng môi trƣờng đóng một vai trò
thiết yếu quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả kinh tế và giảm thiểu các
rủi ro. Với kết cấu giàn tự nâng làm việc trong vùng biển sâu khi tiến hành
phân tích động lực học việc sử dụng mô hình khung giằng đƣa đến các mô
hình lớn với nhiều bậc tự do và do đó tính toán trở nên rất phức tạp khi tính
tải trọng sóng cũng nhƣ khi tiến hành phân tích. Do vậy các nhà tính toán
thƣờng đƣa chân đế về mô hình các phần tử dầm cột tƣơng đƣơng [10, 12,
14], cách mô phỏng này cho ta ƣu thế số bậc tự do của bài toán không lớn nên

rất phù hợp khi tiến hành phân tích động cũng nhƣ khi xem xét tác động ngẫu

Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
8
nhiên của tải trọng sóng lên công trình [11, 15]. Khi đƣa chân đế về mô hình
dầm-cột hiệu ứng Euler là đáng kể khi tiến hành phân tích ứng xử động của
kết cấu. Các tác giả Cassidy M.J., Taylor R.E., Houlsby G.T, Williams M. S.,
Thompson R.S. G [11,15,16] đã dùng mô hình phần tử dầm – cột phi tuyến
trong tính toán giàn tự nâng.
Liên kết giữa các chân giàn với đáy biển là bài toán khó, đƣợc đặt ra
hàng đầu. Vì phần lớn tính ổn định của thân giàn đƣợc cung cấp bởi các chân
đế mà sự vững chắc của các chân đế phụ thuộc rất lớn vào liên kết của chúng
với đáy biển. Để đơn giản trong tính toán, trƣớc đây các tác giả thƣờng dùng
các mô hình liên kết khớp và các mô hình lò xo tuyến tính với các thành phần
độ cứng độc lập theo ba phƣơng trực giao. Tuy nhiên, ngày nay khi làm việc
ở các vùng nƣớc sâu hơn và chịu ảnh hƣởng của môi trƣờng khắc nghiệt hơn,
các mô hình liên kết trên trở nên không phù hợp và không mô tả một cách sát
thực liên kết giữa chân đế và nền. Với những lí do nhƣ vậy luận văn này đặt
ra một số nhiệm vụ sau đây:
 Xây dựng mô hình phần tử dầm cải biên có kể đến ảnh hưởng của lực
dọc trục - thiết lập các ma trận phần tử
 Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn mô tả tương tác của đế móng với nền
đất với giả thiết nền đáy biển có ứng xử đàn hồi tuyến tính có kể đến
tương quan giữa xoay và chuyển vị ngang
 Xây dựng các mô dun tính toán các ma trận phần tử hữu hạn cải biên đã
xây dựng ở trên, để ghép nối vào các chương trình tính toán phân tích
giàn tự nâng.

Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
9
Luận văn gồm 3 chƣơng:
 Chƣơng 1: Giới thiệu về giàn tự nâng.
 Chƣơng 2: Giới thiệu về phƣơng pháp phần tử hữu hạn.
 Chƣơng 3: Phân tích giàn tự nâng.

Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
10
Hình .1
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU GIÀN TỰ NÂNG
1.1 Lịch sử phát triển của giàn tự nâng
Nhu cầu thăm dò và khai thác dầu khí ở các vùng biển sâu hơn, với các
điều kiện tự nhiên khắc nghiệt là một nhu cầu thực tế luôn đƣợc đặt ra. Trong
các điều kiện nhƣ vậy các giàn khoan di động trở thành các công cụ rất quan
trọng và cần thiết. Có ba loại giàn khoan di động chủ yếu là: Giàn tự nâng;
Tàu khoan và Giàn bán chìm.
Năm 1869, Samuel Lewis đƣợc liên bang Mỹ công bố bằng sáng chế
ứng dụng về sự mô tả của thiết bị tự nâng. Nhƣng cho đến tận 85 năm sau đó
tức là vào năm 1954 thiết bị Delong
McDermott No. 1 trở thành thiết bị đầu tiên
sử dụng các nguyên lí của giàn tự nâng phục
vụ cho việc khoan xa bờ. Có thể nói Delong
McDermott No. 1 là một trong những thiết bị
đƣợc cải tiến thành công nhất của các bến
tàu Delong từ một thiết bị phao nổi với một
số các chân hình trụ mà chúng có thể di

chuyển lên hoặc xuống. Các bến tàu Delong
hầu hết đƣợc sử dụng nhƣ các cầu tàu di
động cho các mục đích công nghiệp trong
suốt những năm 40 của thế kỷ 20. Các bến
tàu này có thể đƣợc kéo đến một vị trí nào đó với các chân đƣợc nâng lên. Khi
định vị ở một vị trí nào đó các chân đƣợc hạ xuống đáy biển và khoang nổi
đƣợc nâng lên khỏi mặt nƣớc sử dụng nguyên lý giống nhƣ nguyên lý của
giàn khoan di động hiện đại ngày nay. Một điều thú vị, các cầu tàu Delong đã
đƣợc quân đội Mỹ sử dụng trong chiến tranh thế giới thứ hai nhƣ là các bến

Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
11
tàu di động và trƣớc khi các bến cảng chính của phía tây châu âu đƣợc giải
phóng.
Cũng giống nhƣ rất nhiều giàn khoan di động trƣớc đó và sau này, thiết
bị Delong McDermott No. 1 giống nhƣ một thiết bị xà lan khoan đƣợc gắn
với các chân đế và các thiết bị kích nâng, thƣờng với số lƣợng chân nhiều hơn
3. Giàn tự nâng có cấu trúc nhƣ ngày nay là thiết kế của kỹ sƣ ngƣời Mỹ Le
Tourneau vào năm 1956 dùng cho công tác khoan thăm dò dầu khí ngoài
biển, theo thiết kế của ông số lƣợng chân đế của các giàn khoan ngày nay
đƣợc giảm xuống còn 3 chân. Một sự cải tiến đáng kể trong thiết kế đó là sự
trang bị các hệ thống kích nâng và hệ thống chốt đƣợc điều khiển bằng điện
mà chúng cho phép các chân đế di chuyển liên tục một cách độc lập. Hế thống
chốt khoá này hạn chế đáng kể sự trƣợt xảy ra trên các chân có bề mặt trơn
nhẵn khi thiết bị ở chế độ nâng. Các thiết bị giàn khoan tự nâng đầu tiên đƣợc
sử dụng khai thác dầu khí ở vùng Gulf của Mexico. Chúng đƣợc thiết kế để
làm việc ở vùng nƣớc sâu khoảng 25 mét và là các sản phẩm đầu tiên của
công ty Marathon Letourneau. Trong suốt những năm từ 1960 đến 1970
Marathon Letourneau là công ty độc quyền thiết kế các thiết bị giàn tự nâng.

Trong thời gian đó các giàn tự nâng đƣợc khai thác ở các vùng nƣớc nông lên
cấu tạo của các chân đế thƣờng rất to, cồng kềnh và phức tạp.
Cùng với nhu cầu sử dụng và khai thác năng lƣợng dầu ngày càng ra
tăng, các thiết bị giàn tự nâng liên tục đƣợc cải tiến để khai thác ở các vùng
nƣớc sâu hơn. Đã có nhiều công ty khác trong đó phải kể đến các công ty:
Bethlehem, Friede and Goldman, Marine Structures Consultans và Mitsui đã
góp phần làm tăng khả năng làm việc của giàn tự nâng trong các vùng nƣớc
sâu (Veldman and Layers 1997). Sự phát triển này đƣợc tiếp tục với các thiết
bị có cấu tạo lớn hơn đƣợc sử dụng trong các vùng nƣớc sâu khoảng 120 mét
với sự tác động khắc nghiệt của môi trƣờng biển bắc. Ngày nay các thiết bị

Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
12
giàn khoan di động là một bộ phận quan trọng không thể thiếu đƣợc trong
việc khai thác dầu khí và xây dựng các công trình trên biển. Vì vậy việc
nghiên cứu, phân tích ứng xử của giàn khoan di động dƣới tác động khắc
nghiệt của môi trƣờng có một ý nghĩa quan trọng trong thiết kế, gia cố và sửa
chữa các thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động cũng nhƣ giảm thiểu các
rủi ro tai nạn.
Tuy giàn tự nâng có nhiều dạng nhƣng về bản chất nó là một tổ hợp thiết
bị lắp đặt trên một sàn công tác. Sàn công tác này có hai trạng thái: khi di
chuyển nó là phao nổi, khi công tác nó đƣợc nâng lên trên các chân đế và làm
việc nhƣ các giàn cố định. Tất nhiên không thể vững chãi nhƣ các giàn cố
định, nhƣng so với các giàn di động khác thì giàn tự nâng có độ ổn định cao
hơn cả. Khi các chân giàn đƣợc hạ xuống nƣớc thì đồng thời phần thân giàn
đƣợc nâng nên khỏi mặt nƣớc tạo nên một diện tích làm việc giống nhƣ giàn
cố định. Sóng biển chỉ tác dụng vào chân – cột có kính thƣớc nhỏ và độ chắn
sóng rất bé do đó giảm thiểu đƣợc tác động của
sóng biển lên giàn. Hạn chế của giàn tự nâng là

chỉ làm việc đƣợc trên các vùng biển không sâu
lắm (độ sâu lớn nhất hiện nay mà giàn tự nâng có
thể làm việc đƣợc là 180m). Tuy nhiên nếu quan
tâm đến việc khai thác tiềm năng biển ở các vùng
nƣớc nông (<180m) thì giàn tự nâng là một dạng
công trình không thể bỏ qua và cần thiết đƣợc tìm
hiểu.
1.2 Cấu tạo và chức năng của các bộ phận
Cấu tạo một thiết bị giàn tự nâng gồm ba bộ phận chính: thân giàn, các
chân và các chân đế, và thiết bị.

Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
13
1.2.1. Thân giàn
Thân giàn là một công trình kín nƣớc có khả năng cung cấp nhà ở, thiết
bị công tác, không gian làm việc… sao cho cho phép
thiết bị giàn thực hiện các nhiệm vụ và chức năng của
chúng. Khi di chuyển thân giàn làm nhiệm vụ phao nổi
mang theo trọng lƣợng của các chân, các chân đế, thiết
bị, và chịu tác động của các tải trọng thay đổi từ môi
trƣờng nhƣ sóng, gió và dòng chảy Các thông số khác nhau của thân giàn
ảnh hƣởng đến các chế độ làm việc khác nhau của thiết bị. Chúng đƣợc mô tả
một cách sơ bộ nhƣ sau
 Nói chung, thân giàn càng lớn tức là chiều dài, bề rộng và chiều cao của
thân giàn lớn sẽ cho phép giàn mang các tải trọng và khối lƣợng thiết bị
càng lớn. Đặc biệt trong chế độ di chuyển (do sự ra tăng của không gian
sàn và không gian phao nổi)
 Tƣơng tự nhƣ vậy, các thân giàn lớn hơn đem lại không gian máy móc
và khoảng trống rộng hơn trên sàn chính để cất giữ các ống khoan, và

cung cấp các không gian làm việc rộng lớn hơn. Thân giàn lớn có thể có
khả năng mang tải trọng ban đầu lớn hơn do đó có thể cho phép ra tăng
tính mềm trong các thao tác gia tải ban đầu.
 Thân giàn lớn nói chung có khả năng chống lại cao hơn các ảnh hƣởng
của các tải trọng gió, sóng và dòng chảy. Tuy nhiên các thân giàn lớn sẽ
có khối lƣợng lớn do đó chúng yêu cầu các thiết bị nâng với các lực nâng
và giữ lớn hơn. Khối lƣợng lớn này cũng ảnh hƣởng tới tuổi thọ tự nhiên
của thiết bị trong chế độ nâng.
Nói chung kích thƣớc của thân giàn có ảnh hƣởng rất lớn đến khả năng
chịu tải và mức độ ổn định của thiết bị đặc biệt trong khi di chuyển.

Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
14
1.2.2 Các chân và các chân đế
Các chân và các chân
đế của giàn tự nâng là các
kết cấu làm bằng thép để
chống đỡ thân giàn khi thiết
bị ở chế độ nâng và cung
cấp tính ổn định để chống
lại các tải trọng bên. Việc sử dụng các chân đế là cần thiết để ra tăng vùng
nền đỡ bằng cách đó giảm thiểu độ bền yêu cầu của nền. Việc tính toán thiết
kế về cấu tạo và độ bền của các chân giàn sao cho chúng chịu đƣợc các tải
trọng thiết kế và giảm thiểu ảnh hƣởng do tác động của môi trƣờng là một bài
toán khó và đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm. Ngày nay các giàn tự nâng
thƣờng có dạng 3 chân và các chân có cấu tạo dạng thanh giằng để tăng độ
cứng, giảm khối lƣợng và giảm độ chắn sóng.
Các chân của giàn tự nâng có thể kéo dài tới 155m bên trên mặt nƣớc
biển khi thiết bị ở trạng thái đƣợc kéo đi với các chân đƣợc rút lên hoàn toàn.

Khi di chuyển trọng tâm khối lƣợng của thiết bị ở một độ cao nhất định cộng
với sự tác động của tải trọng sóng gió của môi trƣờng nên thiết bị rất dễ mất
ổn định. Với các thiết bị có cùng một kích thƣớc thân giàn và sức kéo, các
thiết bị với các chân lớn hơn sẽ có độ ổn định nhỏ hơn khi di chuyển. Khi ở
trong chế độ nâng, các chân của giàn chịu ảnh hƣởng của các tải trọng sóng,
gió và dòng chảy. Cƣờng độ và tỷ lệ của các tải trọng môi trƣờng này là hàm
của chiều sâu mức nƣớc, khoảng hở không khí (khoảng cách từ mặt nƣớc tới
thân giàn) và độ sâu của chân đế đâm xuyên vào đáy biển. Nói chung các
chân và các chân đế càng to thì tải trọng sóng, gió, và dòng chảy tác dụng lên
chúng càng lớn. Độ cứng của giàn sẽ giảm cùng với sự gia tăng của chiều sâu
mực nƣớc, chính xác hơn là khoảng cách từ chân đế đến thân giàn. Hơn nữa

Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
15
đối với các giàn làm việc ở vùng nƣớc sâu hơn ảnh hƣởng của biến dạng trƣợt
đến độ cứng chống uốn là không đáng kể. Độ cứng của chân giàn liên hệ trực
tiếp với độ cứng của giàn trong chế độ nâng, do đó nó ảnh hƣởng đến dao
động lắc ngang và tuổi thọ tự nhiên của thân giàn.
1.2.3 Các thiết bị
Có ba nhóm thiết bị chính trên một giàn tự nâng đó là: thiết bị tàu, thiết
bị thực hiện nhiệm vụ của giàn và thiết bị nâng.
 Thiết bị tàu là nhóm thiết bị mà chúng không trực tiếp tham gia vào
nhiệm vụ chính của giàn tự nâng. Thiết bị tàu có thể tìm thấy trên bất kỳ
phƣơng tiện lớn đi biển khác. Thiết bị tàu có thể bao gồm các mục nhƣ
các động cơ diesel chính, hệ thống ống dẫn nhiên liệu, các bảng và các
công tắc nguồn, các phao cứu sinh, ra đa, thiết bị truyền tin vv. Thiết bị
tàu không trực tiếp đƣợc đòi hỏi với nhiệm vụ của giàn tự nâng nhƣng
chúng cần thiết đƣợc trang bị và là cần thiết cho giàn khoan thực hiện
đƣợc chức năng của chúng.

 Thiết bị nhiệm vụ là nhóm thiết bị mà giúp cho giàn khoan hoàn thành
đƣợc nhiệm vụ chính của nó. Thiết bị nhiệm vụ thay đổi bởi chức năng
của giàn tự nâng và bởi chính giàn tự nâng. Hai giàn tự nâng cùng thực
hiện nhiệm vụ khoan thăm dò có thể nhóm thiết bị nhiệm vụ không
giống nhau. Ví dụ về nhóm thiết bị nhiệm vụ có thể bao gồm các cần
khoan, các bơm bùn, các hệ thống điều khiển khoan, các cần trục, thiết bị
chống bắt lửa, và các hệ thống cảnh báo
 Thiết bị nâng là các thiết bị cần thiết cho giàn tự nâng để chúng nâng lên,
hạ xuống và khoá các chân đế và thân giàn. Nhóm thiết bị kích nâng có
thể bao gồm hệ thống nâng thuỷ lực hoặc mô tơ kích, cơ cấu thanh răng
truyền lực, hệ thống giữ và chốt khoá. Chúng cho phép nâng lên và hạ

Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
16
xuống các chân giàn và cho phép cố định
thân gian ở một độ cao mong muốn.
1.2.4 Tải trọng ban đầu và sự đâm xuyên của
chân đế.
Các giàn tự nâng đƣợc gia tải ban đầu
khi đầu tiên chúng đƣợc di chuyển đến một vị
trí mà mà đảm bảo rằng nền đáy biển có khả
năng chịu đƣợc áp lực lớn nhất (phản lực thiết
kế) do chân đế tác động lên đáy biển khi thiết bị ở chế độ nâng. Mức độ đâm
xuyên của chân đế vào đáy biển đƣợc xác định bởi các tính chất của nền, phản
lực theo phƣơng thẳng đứng của các chân, và vùng diện tích chân đế. Nói
chung, các chân đế có diện tích lớn hơn, với cùng một phản lực tác dụng theo
phƣơng thẳng đứng và tính chất nền giống nhau thì sự đâm xuyên của chân đế
càng bé. Có một vài kỹ thuật gia tải ban đầu khác nhau, nhƣ gia tải đồng thời
trên các chân đế hoặc gia tải trên từng chân đế riêng biệt vơi một khoảng hở

tối thiếu để hạn chế các ảnh hƣởng không tốt khi quá trình đâm xuyên xảy ra
trên bề mặt nền gồ ghề. Các thông số về tính chất của nền và sự tính toán mô
phỏng ban đầu về quá trình đâm xuyên phải đƣợc cung cấp và thực hiện trƣớc
khi trƣớc khi quyết định việc gia tải ban đầu. Chú ý rằng, sự đâm xuyên của
chân đế trong suốt quá trình gia tải ban đầu phải đƣợc đo đạc ghi lại và so
sánh với các kết quả đã đƣợc tính toán trƣớc. Đây là những thông tin quý gía
cho việc xác định đặc tính của nền và sẽ phục vụ cho việc nâng cao các tính
toán sau này.



Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
17
1.3 Các chế độ làm việc của giàn tự nâng
Các thiết bị giàn tự nâng làm việc trong ba chế độ chính: chế độ nổi tức
là thiết bị đƣợc chuyển từ vị trí này sang vị trí khác, chế độ nâng tức là thân
giàn đƣợc nâng lên trên các chân và chế độ trung gian tức là quá trình nâng
nên hoặc hạ xuống giữa các chế độ nổi và chế độ nâng. Mỗi một chế độ có
các yêu cầu nhất định để đảm bảo cho thiết bị đƣợc vận hành một cách suôn
sẻ
1.3.1 Chế độ nổi
Chế độ nổi diễn ra khi thiết bị đƣợc di chuyển từ một vị trí này sang vị
trí khác. Có hai hình thức chính để di chuyển thiết bị đó là: di chuyển ƣớt tức
là trong quá trình di chuyển thân giàn nổi trên mặt nƣớc và đƣợc kéo đi. Hình
thức thứ hai là di chuyển khô tức là thiết bị đƣợc chở đi trên một tàu lớn khác.
Các sự chuẩn bị chính trƣớc khi chuyển sang chế độ di chuyển là: cột chặt các
chân, thân giàn, đảm bảo toàn vẹn tính kín nƣớc của thiết bị, thu xếp gọn hàng
hoá và thiết bị trên giàn để ngăn chặn sự trƣợt tƣơng đối xảy ra do chuyển
động.

Mặc dù các chân của thiết bị phải đƣợc kéo lên để đảm bảo chúng không
chạm vào đáy biển trong suốt quá trình di chuyển, nhƣng không nhất thiết
chúng phải đƣợc kéo lên một cách hoàn toàn. Cho phép một phần chân chìm
dƣới nƣớc điều này không chỉ tiết kiệm thời gian nâng, hạ chân giàn mà còn
hạ thấp trọng tâm khối lƣợng của thiết bị. Điều này làm tăng tính ổn định của
giàn khi di chuyển và giảm thiểu ảnh hƣởng do tác động của gió, nhƣng nó
cũng làm tăng lực cản do dòng chảy. Vì vậy di chuyển giàn ở một vị trí chân
thích hợp để cực tiểu hoá các mô men lật tác động lên giàn là một vấn đề cần
thiết cho sự an toàn của thiết bị và phải đƣợc kiểm tra trƣớc khi di chuyển.

Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
18
Đối với giàn tự nâng có ba loại di chuyển chính là, di chuyển ngắn, di
chuyển vừa và di chuyển dài. Đối với mỗi loại di chuyển trên tƣơng ứng đỏi
hỏi các sự chuẩn bị và điều kiện thời tiêt khác nhau
 Di chuyển ngắn: khi di chuyển thì giàn khoan nổi trên chính thân giàn
của chúng với các chân đế đƣợc nâng lên và chúng đƣợc kéo đến một vị
trí khác với khoảng cách tƣơng đối ngắn. Điều kiện thời tiết và trạng thái
mặt biển là tƣơng đối tốt khi di chuyển và các bƣớc chuẩn bị cho di
chuyển ngắn là không nghiêm ngặt nhƣ đối với di chuyển dài. Theo quy
định của hiệp hội phân loại thì thời gian cho di chuyển ngắn là không
quá 12 tiếng, và phải thoả mãn các yêu cầu nào đó liên quan tới tiêu
chuẩn chuyển động.
 Di chuyển vừa: thời gian cho di chuyển vừa theo quy định của hiệp hội
phân loại là lớn hơn 12 giờ. Tiêu chuẩn chuyển động và các bƣớc chuẩn
bị cho di chuyển vừa là tƣơng tự nhƣ đối với di chuyển ngắn và quá trình
di chuyển có thể kéo dài trong vài ngày. Các bƣớc chuẩn bị chính cho
một thiết bị để đảm bảo một quá trình di chuyển vừa là tƣơng tự đối với
di chuyển ngắn với sự bổ sung thêm tiêu chuẩn đó là thời tiết phải đƣợc

quan sát và ghi lại một cách cẩn thận trong suốt quá trình di chuyển.
 Di chuyển dài: đƣợc định nghĩa nhƣ là một quá trình di chuyển lâu dài
(lớn hơn 12 tiếng) và chúng không thoả mãn các yêu cầu nhƣ đối với di
ngắn. Đối với di chuyển dài thì các bƣớc chuẩn bị và các tiêu chuẩn
chuyển động là tƣơng đối nghiêm ngặt và cần thiết bổ sung các sự đề
phòng để ngăn ngừa bất trắc. Các sự chuẩn bị bổ sung có thể bao gồm
lắp đặt bổ sung thêm chân đỡ phụ, làm ngắn chân bằng cách cắt bớt hoặc
hạ xuống, và thu xếp và cất giữ hàng hoá trên và trong thân giàn một
cách cẩn thận…

Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
19
1.3.2 Chế độ kích nâng
Đây là chế độ trung gian khi thiết bị chuyển từ chế độ nổi sang chế độ
làm việc. Đầu tiên thiết bị đƣợc di chuyển tới vị trí công tác, các chân đế đƣợc
hạ xuống đáy biển và bắt đầu quá trình gia tải ban đầu cho sự đâm xuyên của
các chân đế và đồng thời thân giàn đƣợc kích lên khỏi mặt nƣớc ở một độ cao
thích hợp. Tất cả các chân độc lập của thiết bị phải đƣợc thực hiện các thao
tác gia tải ban đầu trƣớc khi chúng có khả năng chịu đƣợc tải trọng nâng thiết
kế. Hầu hết chân đế độc lập của các giàn tự nâng không có khả năng nâng
thiết bị trong khi trọng lƣợng gia tải vẫn nổi trên mặt nƣớc. Đối với các thiết
bị này thì bƣớc tiếp theo là nâng thân giàn lên khỏi mặt nƣớc ở một khoảng
hở sao cho vừa đủ để tránh sự tác động của chiều cao ngọn sóng, độ cao đó
thông thƣờng không nhỏ hơn 1.52m. Sau khi thân giàn đạt đến độ cao này,
thiết bị có thể tiếp tục quá trình gia tải. Các giàn tự nâng có các hệ thống kích
nâng, chúng có khả năng nâng toàn bộ trọng lƣợng của thân giàn với toàn bộ
trọng lƣợng gia tải. Để tăng khối lƣợng gia tải, nƣớc biển có thể đƣợc bơm
vào các khoang chứa bên trong thân giàn và sẽ đƣợc tháo ra khi quá trình gia
tải kết thúc.

Quá trình kích nâng sẽ đƣợc hoàn thành sau khi các chân đế của giàn
đâm xuyên vào đáy biển và có khả năng chịu đƣợc các tải trọng thiết kế, khi
đó thân giàn sẽ đƣợc định vị ở độ cao làm việc với sự trợ giúp của hệ thống
phanh và hệ thống chốt khoá.
1.3.3 Chế độ nâng (chế độ làm việc)
Trong suốt quá trình làm việc, thân giàn đƣợc
giữ ở một độ cao thích hợp. Khi đó tải trọng của
thân giàn, tải trọng làm việc và tải trọng của môi
trƣờng tác động lên chân đế là rất lớn do đó việc

Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
20
giám sát chiều cao thân giàn, tải trọng hệ thống nâng, các tải trọng làm việc
và ứng suất của chân đế là rất quan trọng. Tất cả các yếu tố trên phải đƣợc
duy trì trong phạm vi các giới hạn thiết kế. Trong quá trình làm việc, phản lực
lớn nhất tại các chân đế phải đƣợc chắc chắn rằng chúng không vƣợt quá với
một tỷ lệ phần trăm nào đó so với phản lực lớn nhất của chân đế đã đạt đƣợc
trong quá trình gia tải.
1.4 Các vấn đề cần quan tâm trong mô hình phân tích giàn tự nâng
Trƣớc khi một giàn tự nâng có thể đƣợc đƣa vào sử dụng, phải thực hiện
việc đánh giá khả năng chịu tải dƣới tác dụng của tải trọng bão thiết kế,
thƣờng là chu kỳ 50 năm trở lại. Trƣớc đây các giàn tự nâng đƣợc khai thác ở
các vùng nƣớc nông và các vùng biển lặng, nên các kỹ thuật đƣợc sử dụng
trong việc phân tích giàn thƣờng khá đơn giản và sử dụng các kỹ thuật phân
tích không phá huỷ. Tuy nhiên, ngày nay các giàn tự nâng đã đƣợc cải tiến để
có thể sử dụng ở các vùng nƣớc sâu hơn và chịu tác dụng của các tải trọng
môi trƣờng khắc nghiệt hơn [12, 16], nên việc phát triển các kỹ thuật phân
tích cũng nhƣ nghiên cứu ứng xử của giàn là cần thiết. Trong đó chủ yếu tập
trung vào hai vấn đề:

 Mô hình hoá cấu trúc
 Mô hình hoá đáp ứng của nền
Trong phân tích giàn tự nâng việc mô hình hoá cấu trúc chủ yếu tập
trung vào các chân đế, thân giàn thƣờng giả thiết là vật thể rắn tuyệt đối. Các
chân đế thƣờng có cấu tạo thanh giằng, đƣợc liên kiết bởi số lƣợng lớn các
thanh. Trong luận văn này tác giả sử dụng mô hình dầm cột tƣơng đƣơng có
kể đến ảnh hƣởng của lực dọc trục, cách mô phỏng này cho ta ƣu thế số bậc tự
do của bài toán không lớn nên rất phù hợp khi tiến hành phân tích động cũng

Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
21
nhƣ khi xem xét tác động ngẫu nhiên của tải trọng sóng lên công trình. Việc
mô hình hoá cấu trúc và mô hình đáp ứng nền trong phân tích giàn tự nâng
đƣợc trình bày chi tiết trong chƣơng 3 với các ma trận độ cứng phần tử đƣợc
xây dựng trong chƣơng 2.
1.5 Công cụ phân tích
1.5.1 Phương pháp
Trong lĩnh vực Cơ học, các ứng xử của hệ Cơ học đƣợc mô tả nhờ các hệ
phƣơng trình vi phân đạo hàm riêng. Kết cấu là hệ liên tục có vô số bậc tự do,
hệ phƣơng trình vi phân đạo hàm riêng mô tả ứng xử của kết cấu thƣờng
không có lời giải giải tích chính xác. Vì vậy, ngƣời ta thƣờng sử dụng phƣơng
pháp rời rạc hoá, đƣa về bài toán hữu hạn bậc tự do. Phƣơng pháp phần tử
hữu hạn là một trong những phƣơng pháp rời rạc hoá đƣợc áp dụng rất rộng
rãi trong tính toán kết cấu [4, 5]. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn cho phép ta
mô hình hoá bài toán một cách tổng quát và giải bài toán vi phân hiệu qủa.
Phƣơng pháp phần tử hữu hạn đƣợc áp dụng vào phần lớn các bài toán thƣờng
gặp trong kỹ thuật đƣợc xác định trong không gian 1D, 2D, 3D, nhƣ bài toán
tuyến tính, bài toán phi tuyến. Tƣ tƣởng, nội dung và quy trình tính toán của
phƣơng pháp phần tử hữu hạn sử dụng trong phân tích giàn tự nâng đƣợc

trình bày chi tiết trong chƣơng 2
1.5.2 Phần mềm áp dụng
Trong luận văn sử dụng hai phần mềm chính đƣợc xây dựng và phát
triển bởi các tác giả tại Viện cơ học đó là:
 Chƣơng trình phân tích kết cấu bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn
(DIAGANA)
 Phần mềm tính toán tải trọng sóng tác dụng lên giàn tự nâng (WF2000)

Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
22
Các chƣơng trình này đƣợc giới thiệu trong chƣơng 3 của luận văn này.
1.6 Kết luận chương
Trong chƣơng này, chúng ta đã giới thiệu một cách sơ lƣợc về lịch sử
phát triển và các đặc điểm, cấu tạo và các chế độ làm việc của giàn tự nâng.
Ta có thể tổng kết một số đặc điểm của giàn tự nâng nhƣ sau:
 Công trình phức tạp và to lớn. Chân đế là các ống thép đƣợc hàn với
nhau tại các mối nối rất phức tạp tạo thành cấu trúc thanh giằng và đƣợc
mô hình hoá bằng phần tử dầm cột tƣơng đƣơng trong mô hình phân tích
bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Về cấu trúc công trình gồm 3 phần
chính: Thân giàn là một công trình kín nƣớc có khả năng cung cấp nhà ở,
thiết bị công tác, không gian làm việc, Chân và chân đế phần chịu lực
chính và cuối cùng là các thiết bị giàn
 Giàn tự nâng luôn chịu tác động của các tải trọng môi trường nhƣ: tải
sóng, tải gió, tải dòng chảy và các tải trọng khác nhƣ: tác động của
thiết bị làm việc trên công trình, tải trọng gây ra do sự cất hạ cánh máy
bay, Các tải này mang tính ngẫu nhiên rất phức tạp và nhiều khi rất
khắc nghiệt, nguy hiểm mà con ngƣời không thể lƣờng trƣớc đƣợc. Do
các tải này mà công trình luôn luôn trong trạng thái động.
 Khó khăn trong công tác khảo sát và đo đạc: việc khảo sát, đo đạc mọi

thời điểm và mọi vị trí một cách chi tiết của kết cấu là rất khó khăn nếu
không nói là không thực hiện đƣợc do hai đặc điểm trên.
Để tiến hành phân tích giàn tự nâng, trong luận văn này tác giả sử dụng
phƣơng pháp phần tử hữu hạn với các mô hình phần tử hữu hạn cải biên đƣợc
trình bày trong chƣơng tiếp theo.

Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học
Học viên: Nguyễn Hữu Cường
23
CHƯƠNG 2. CÁC MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN CẢI BIÊN
2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn
Kết cấu là một hệ cơ học có vô số bậc tự do, theo lý thuyết cơ học môi
trƣờng liên tục, chuyển động của nó đƣợc biểu diễn qua trƣờng chuyển vị
u
1
(x,y,z,t); u
2
(x,y,z,t); u
3
(x,y,z,t) thoả mãn các điều kiện trên biên. Để tìm
trƣờng chuyển vị này đòi hỏi phải giải hệ phƣơng trình đạo hàm riêng rất
phực tạp, ngay cả trong trƣờng hợp biên đơn giản. Có rất ít trƣờng hợp mà ta
có thể nhận đƣợc lời giải giải tích của các phƣơng trình chuyển động ở dạng
phƣơng trình đạo hàm riêng. Đối với các kết cấu dạng khung, dàn, việc thiết
lập phƣơng trình chuyển động cho trƣờng chuyển vị nói trên là rất khó có thể
nói là không thực tế. Với các kết cấu phức tạp, ngƣời ta phải có cách tiếp cận
riêng, chủ yếu là tìm cách rời rạc hoá chúng và đƣa chúng về những hệ đơn
giản hơn, có hữu hạn bậc tự do. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn là một trong
những phƣơng pháp rời rạc hoá đƣợc áp dụng rất rộng rãi trong tính toán kết
cấu. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn cho phép ta mô hình hoá bài toán một

cách tổng quát và giải bài toán vi phân hiệu quả. Phƣơng pháp phần tử hữu
hạn đƣợc áp dụng vào phần lớn các bài toán thƣờng gặp trong kỹ thuật đƣợc
xác định trong không gian 1D, 2D, 3D, nhƣ bài toán tuyến tính, bài toán phi
tuyến
2.1.1 Nội dung phương pháp phần tử hữu hạn
Tƣ tƣởng của phƣơng pháp phần tử hữu hạn nhƣ sau: Chia vật thể thành
một số hữu hạn các phần tử, các phần tử này đƣợc liên kết với nhau bởi các
nút có toạ độ xác định trong không gian, chuyển động của các nút đƣợc mô tả
bằng các tham số gọi là bậc tự do của nút, tổ hợp các bậc tự do của các nút tạo
thành một véc tơ các bậc tự do độc lập, gọi là véc tơ chuyển vị nút của hệ đã