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

Đại học quốc gia hà nội
tr-ờng đại học công nghệ

Viện khoa học và công nghệ việt nam
viện cơ học

Nguyễn Hữu c-ờng

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

Luận văn thạc sĩ

Hà nội 2007


Đại học quốc gia hà nội
tr-ờng đại học công nghệ

Viện khoa học và công nghệ việt nam
viện cơ học

Nguyễn hữu c-ờng

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

Ng-ời h-ớng dẫn khoa học: TS Đào Nh- Mai

Hà nội 2007


MỤC LỤC
MỤC LỤC ......................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ ................. Error! Bookmark not defined.
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ......................... Error! Bookmark not defined.
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................. Error! Bookmark not defined.
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 6
CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU GIÀN TỰ NÂNG .................................................. 8
1.1 Lịch sử phát triển của giàn tự nâng ............................................................. 8
1.2 Cấu tạo và chức năng của các bộ phận ....................................................... 9
1.2.1. Thân giàn ................................................................................................. 9
1.2.2 Các chân và các chân đế......................................................................... 10
1.2.3 Các thiết bị ............................................................................................. 15
1.2.4 Tải trọng ban đầu và sự đâm xuyên của chân đế.Error!

Bookmark

defined.
1.3 Các chế độ làm việc của giàn tự nâng ....... Error! Bookmark not defined.
1.3.1 Chế độ nổi .............................................. Error! Bookmark not defined.
1.3.2 Chế độ kích nâng .................................... Error! Bookmark not defined.
1.3.3 Chế độ nâng (chế độ làm việc) ............... Error! Bookmark not defined.
1.4 Các vấn đề cần quan tâm trong mô hình phân tích giàn tự nâng ....... Error!
Bookmark not defined.
1.5 Công cụ phân tích ...................................... Error! Bookmark not defined.

1.5.1 Phƣơng pháp........................................... Error! Bookmark not defined.

not


1.5.2 Phần mềm áp dụng ................................. Error! Bookmark not defined.
1.6 Kết luận chƣơng ........................................ Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 2. CÁC MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN CẢI BIÊN ........ Error!
Bookmark not defined.
2.1 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn .................. Error! Bookmark not defined.
2.1.1 Nội dung phƣơng pháp phần tử hữu hạn Error! Bookmark not defined.
2.1.2 Mô tả toán học của phƣơng pháp phần tử hữu hạnError!

Bookmark

not

defined.
2.1.3 Phân tích khung không gian (Phần tử dầm ba chiều)Error! Bookmark not
defined.
2.2 Phần tử dầm cải biên ................................. Error! Bookmark not defined.
2.2.1 Phần tử dầm hai chiều có kể đến ảnh hƣởng của lực dọc trục ........ Error!
Bookmark not defined.
2.2.2 Mô hình liên kết biên ............................................................................ 41
2.3 Một số ví dụ áp dụng ................................................................................ 45
2.3.1 Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính toán cho khung phẳng .... 45
2.3.2. Phân tích khung không gian ................................................................. 48
2.4. Kết luận chương ...................................................................................... 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
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 ..................................................... Error! Bookmark not defined.
PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO CỦA LUẬN VĂN .... Error!
Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 11
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 84


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 dị ch 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 đị nh. Do
đặc tính linh động khi di chuyển như các phương tiện nổi và ổn đị nh tốt khi làm
việc dưới tác động của tải trọng môi trường (sóng, gió, dòng chảy…) như công

trình biển cố đị nh, 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 đị nh 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 chị u 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.


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 được đặt ra. Trong các điều kiện
như 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 được liên bang Mỹ công bố bằng sáng chế ứng dụng về
sự mô tả của thiết bị tự nâng. Nhưng 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 được 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
được sử dụng như 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 được kéo đến một vị trí nào đó với các
chân được nâng lên. Khi đị nh vị ở một vị
trí nào đó các chân được hạ xuống đáy biển
và khoang nổi được nâng lên khỏi mặt nước
sử dụng nguyên lý giống như nguyên lý của
giàn khoan di động hiện đại ngày nay. Một
điều thú vị , các cầu tàu Delong đã được

quân đội Mỹ sử dụng trong chiến tranh thế
Hình .1
giới thứ hai như là các bến tàu di động và
trước khi các bến cảng chính của phía tây châu âu được giải phóng.
Cũng giống như rất nhiều giàn khoan di động trước đó và sau này, thiết bị Delong
McDermott No. 1 giống như một thiết bị xà lan khoan được gắn với các chân đế
và các thiết bị kích nâng, thường với số lượng chân nhiều hơn 3. Giàn tự nâng có
cấu trúc như ngày nay là thiết kế của kỹ sư người Mỹ Le Tourneau vào năm 1956
dùng cho công tác khoan thăm dò dầu khí ngoài biển, theo thiết kế của ông số
lượng chân đế của các giàn khoan ngày nay được 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 được 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 trượt 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 được sử dụng khai thác dầu khí ở vùng Gulf của Mexico.
Chúng được thiết kế để làm việc ở vùng nước 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 được khai thác ở các vùng nước nông
lên cấu tạo của các chân đế thường rất to, cồng kềnh và phức tạp.
Cùng với nhu cầu sử dụng và khai thác năng lượng dầu ngày càng ra tăng, các
thiết bị giàn tự nâng liên tục được cải tiến để khai thác ở các vùng nước 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 nước sâu (Veldman and Layers
1997). Sự phát triển này được tiếp tục với các thiết bị có cấu tạo lớn hơn được sử
dụng trong các vùng nước sâu khoảng 120 mét với sự tác động khắc nghiệt của
môi trường biển bắc. Ngày nay các thiết bị giàn khoan di động là một bộ phận

quan trọng không thể thiếu được 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 dưới tác động khắc nghiệt của môi trường có một ý nghĩ a quan trọng trong
thiết kế, gia cố và sửa chữa các thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động cũng
như giảm thiểu các rủi ro tai nạn.
Tuy giàn tự nâng có nhiều dạng nhưng 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 được nâng lên trên các chân đế và làm việc như các
giàn cố đị nh. Tất nhiên không thể vững chãi như các giàn cố đị nh, nhưng so với
các giàn di động khác thì giàn tự nâng có độ ổn đị nh cao hơn cả. Khi các chân
giàn được hạ xuống nước thì đồng thời phần thân giàn được nâng nên khỏi mặt
nước tạo nên một diện tích làm việc giống như giàn cố đị nh. Sóng biển chỉ tác
dụng vào chân – cột có kính thước nhỏ và độ chắn sóng rất bé do đó giảm thiểu
được tác động của sóng biển lên giàn. Hạn chế của giàn tự nâng là chỉ làm việc
được trên các vùng biển không sâu lắm (độ sâu lớn nhất hiện nay mà giàn tự nâng
có thể làm việc được là 180m). Tuy nhiên nếu quan tâm đến việc khai thác tiềm
năng biển ở các vùng nước nông (<180m) thì giàn tự nâng là một dạng công trình
không thể bỏ qua và cần thiết được tìm hiểu.
1.2 Cấu tạo và chức năng của các bộ phận
Cấu tạo một thiết bị giàn tự nâng gồm ba bộ
chính: thân giàn, các chân và các chân đế, và
bị .

phận
thiết

1.2.1. Thân giàn
Thân giàn là một công trình kín nước có khả
cung cấp nhà ở, thiết bị công tác, không gian
việc… sao cho cho phép thiết bị giàn thực hiện

năng
làm
các


nhiệm vụ và chức năng của chúng. Khi di chuyển thân giàn làm nhiệm vụ phao
nổi mang theo trọng lượng của các chân, các chân đế, thiết bị , và chị u tác động
của các tải trọng thay đổi từ môi trường như sóng, gió và
dòng chảy... Các thông số khác nhau của thân giàn ảnh
hưởng đến các chế độ làm việc khác nhau của thiết bị .
Chúng được mô tả một cách sơ bộ như 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 lượng thiết bị càng lớn. Đặc biệt trong chế độ di chuyển
(do sự ra tăng của không gian sàn và không gian phao nổi)



Tương tự như 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 hưởng của

các tải trọng gió, sóng và dòng chảy. Tuy nhiên các thân giàn lớn sẽ có khối
lượng lớn do đó chúng yêu cầu các thiết bị nâng với các lực nâng và giữ lớn
hơn. Khối lượng lớn này cũng ảnh hưởng tới tuổi thọ tự nhiên của thiết bị
trong chế độ nâng.

Nói chung kích thước của thân giàn có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chị u tải
và mức độ ổn đị nh của thiết bị đặc biệt trong khi di chuyển.
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 được các tải trọng thiết kế và giảm thiểu ảnh hưởng do tác động
của môi trường là

TÀI LIỆU THAM KHẢO
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.

Chu Quốc Thắng (1997), Phương pháp phần tử hữu hạn, nhà xuất bản khoa
học và kỹ thuật.
Tiếng anh
5.

[6] Dao Nhu Mai, Nguyen Huu Cuong (2005), “Analysis of Jack-up units using
modified finite element models”, the 5th 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
7th 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.