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

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

Nguyễn Hữu Cường

Trường Đại học Công nghệ
Luận văn ThS ngành: Cơ học vật thể rắn; Mã số: 60 44 21
Người hướng dẫn: TS. Đào Như Mai
Năm bảo vệ: 2007


Abstract: Giới thiệu lịch sử phát triển, đặc điểm, cấu tạo và chế độ hoạt động của giàn tự
nâng (GTN). Trình bày phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) và quy trình tính toán
kết cấu bằng PPPTHH. Xây dựng phần tử dầm cải biên có ảnh hưởng của lực dọc trục.
Giới thiệu mô hình nền ứng xử tuyến tính có ảnh hưởng của cặp tương tác giữa chuyển vị
ngang và chuyển vị xoay của đế móng. Áp dụng PPPTHH phân tích một số ví dụ khung
phẳng và khung không gian, sử dụng thuật toán tích phân trực tiếp Newmark. Trình bày
cơ sở phân tích GTN, các hiệu ứng động lực và các đặc trưng động lực học của kết cấu.
Thiết lập sơ đồ khối chương trình phân tích kết cấu và quy trình tính toán tải trọng sóng
tác động lên công trình bằng công thức Morison. Sử dụng các mô hình phần tử đã được
xây dựng để tiến hành phân tích một GTN cụ thể. So sánh các kết quả đạt được khi sử
dụng các trường hợp khác nhau của mô hình nền và mô hình phần tử dầm cột có ảnh
hưởng đến lực dọc trục tác động lên công trình.

Keywords: Cơ học; Cơ học vật thể rắn; Giàn tự nâng; Phần tử hữu hạn cải biên


Content
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 được nâng lên trên các chân đế và làm việc như các giàn
cố định. Do đặc tính linh động khi di chuyển như các phương tiện nổi và ổn định tốt khi làm việc
dưới tác động của tải trọng môi trường (sóng, gió, dòng chảy…) như công trình biển cố định,
giàn tự nâng ngày nay được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình biển.
Tại Việt Nam một số giàn tự nâng đã và đang được 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 nước 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 dưới tác động của các tải trọng môi trường 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 đưa 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 như khi tiến hành phân tích. Do vậy các nhà tính
toán thường đưa chân đế về mô hình các phần tử dầm cột tương đương [10, 12, 14], cách mô
phỏng này cho ta ưu thế số bậc tự do của bài toán không lớn nên rất phù hợp khi tiến hành phân
tích động cũng như khi xem xét tác động ngẫu nhiên của tải trọng sóng lên công trình [11, 15].
Khi đưa 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, được đặt ra hàng đầu. Vì phần lớn tính
ổn định của thân giàn được 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, trước đây các tác giả
thường 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 phương trực giao. Tuy nhiên, ngày nay khi làm việc ở các vùng nước sâu
hơn và chịu ảnh hưởng của môi trường 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 như 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 gồm 3 chương:
 Chương 1: Giới thiệu về giàn tự nâng.
 Chương 2: Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn.
 Chương 3: Phân tích giàn tự nâng.


References
Tiếng Việt
1. Đào Như Mai (2005), Luận án tiến sỹ khoa học, “Độ nhạy cảm của các đặc trưng động lực
học kết cấu và ứng dụng trong chẩn đoán kỹ thuật công trình”
2. Đào Như Mai (2003), Chuyên đề tính toán tải trọng sóng tác động lên công trình.
3. Nguyễn Tiến Khiêm (2002), Cơ sở Động lực học công trình, Giáo trình dùng cho học viên
cao học, ngành Cơ học ứng dụng.
4. Ngô Hương Nhu (2001), Phương pháp phần tử hữu hạn trong cơ học vật rắn biến dạng,
Giáo trình dùng cho học viên cao học, ngành Cơ học ứng dụng, TTHTBD&ĐT Cơ học,
ĐHQGHN.
5. Chu Quốc Thắng (1997), Phương pháp phần tử hữu hạn, nhà xuất bản khoa học và kỹ
thuật.
Tiếng anh
[6] Dao Nhu Mai, Nguyen Huu Cuong (2005), “Analysis of Jack-up units using modified finite
element models”, the 5
th
Asian symposium on applied electromagnetics and mechanic, pp

507-515, Thai Nguyen 2005
[7] Dao Nhu Mai, Nguyen Huu Cuong (2006), “Aplasticity model for beharvior of Spud-Can
footings under Combined loading and application to a Jack-up Unit” Hội nghị khoa học
toàn quốc, Cơ học vật rắn biến rạng lần thứ 8, pp 522-530.
[8] Dao Nhu Mai, Tranh Thanh Hai, Nguyen Huu Cuong, Nguyen Van Quang (2007), “Non-
Linear Analysis of Jack-Up Platform Using Strain Hardening Plasticity Model for Spudcan
Footings” international conference on meterial theory and nonlinear dynamics, september
24-26/2007
[9] Dao Nhu Mai, Tranh Thanh Hai, Nguyen Huu Cuong (2007), “Large deformation
approachs in nonlinear dynamic analysis of Juck-up units” international conference on
meterial theory and nonlinear dynamics, september 24-26/2007.
[10] Martin CM. (1994), “Physical and numerical modelling of offshore foundations under
combined loads” . D Phil thesis. University of Oxford, Department of Engineering Science,
1994.
[11] Reardon MJ. (1986) Review of the geotechnical aspects of jack- up unit operations. Gnd
Engng 1986;19(7):21±6.
[12] Bell RW (1991) The analysis of offshore foundations subjected to combined loading. M.Sc.
Thesis. University of Oxford, Department of Engineering Science, 1991.
[13] SNAME. (1993) Guidelines for the site specific assessment of mobile jack-up units. Society
of Naval Architects and Marine Engineers, New Jersey
[14] Stokes GG. On the theory of oscillatory waves. Trans Camb Philos Soc 1847;8:441±55.
[15] Skjelbreia L, Hendrickson J. (1960) “fifth order gravity wave theory” In Proc 7
th
Coastal
Eng Conf. The Hague, p. 184±96.
[16] Cassidy M.J and Houlsby .G.T (1999), “on the modelling of foundations for Jack-up Unit
on sand” Offshore technology conference.
[17] Ghali, A. and Neville, A. M. (1972) Structural Analysis
[18] Martin C.M. and Houbly (1991), “structural analysis with realistic modelling of spudcan
behaviour” offshore technology conference, Texas, 3-6 may 1999.

[19] William M.S, Thomson R.S.G and Houbly G.T(1998), “nonlinear dynamic analysis of
offshore jack-up units”, computers and structure 69, pp 171-180.